Hvordan oksidasjon påvirker rød fosfors evne til uran-ekstraksjon

Rød fosfor (CRP) har lenge vært kjent for sine anvendelser innen forskjellige teknologiske prosesser, inkludert materialer for energilagring og katalyse. Nylige fremskritt innen oksidasjonsteknologi har åpnet for nye muligheter, spesielt i sammenheng med fotokatalytisk uran-ekstraksjon. Oksidering av rød fosfor, spesielt til dypt oksidert rød fosfor (DO-CRP), har vist seg å forbedre stoffets evne til å adsorbere og fjerne uran fra løsninger, et fenomen som kan være avgjørende i miljøteknologi og nukleær industri.

Oksidasjonsprosessen av rød fosfor skjer i flere trinn, hvor første steg er eksponering for luftens oksygen. Denne prosessen aktiviserer fosfors overflate, og videre behandling ved hydrotermisk oksidasjon med varierende behandlingstid resulterer i forskjellige grader av oksidasjon. Etter 12 timer oppnås oksidert rød fosfor (O-CRP), og etter 24 timer oppnås dypt oksidert rød fosfor (DO-CRP). En tydelig fargeendring fra dyp rød til oransje-rød bekrefter oksidasjonsprosessens fremgang, noe som også reflekteres i bildene tatt med elektronmikroskopi.

Morfologiske undersøkelser gjennom transmisjonselektronmikroskopi (TEM) avslørte at alle prøvene, uavhengig av oksidasjonsnivå, beholdt en lignende mikropartikelsstruktur. Høyoppløselig TEM (HRTEM) bekreftet at både CRP, O-CRP og DO-CRP forble amorfe, uten signifikante endringer i den underliggende strukturen. Dette støttes videre av røntgendiffraksjon (XRD) og Raman-spektroskopi, som viste en dominerende topp som er karakteristisk for rød fosfor og indikerte at den amorfe naturen ble bevart etter oksidasjonen.

Videre undersøkelser ved hjelp av elektronspinresonansspektroskopi (ESR) avslørte en økning i tettheten av overflatefeil i O-CRP og DO-CRP. Dette ble bekreftet gjennom X-ray fotoelektronspektroskopi (XPS), som viste at både oksygen- og fosforgrupper var til stede på overflaten uten signifikante urenheter. En positiv forskyvning i P 2p XPS-spektrene for O-CRP og DO-CRP viste at oksidasjonen hadde påvirket overflatestrukturen, noe som er en viktig indikasjon på dannelsen av overflatebundet PO₄³⁻ grupper.

Eksperimenter som undersøkte uran-ekstraksjon i en 100 mg/L U(VI) løsning, viste at DO-CRP hadde betydelig høyere ekstraksjonseffektivitet sammenlignet med CRP og O-CRP. I mørke forhold, uten fotokatalytisk aktivitet, var ekstraksjonseffektiviteten lav (<25%) for alle materialene. Når DO-CRP ble eksponert for simulert sollys, viste det seg å ha en ekstraksjonseffektivitet på 78,9% i løpet av de første 10 minuttene, en betydelig forbedring sammenlignet med de andre prøvene. Etter to timer oppnådde DO-CRP en ekstraordinær ekstraksjonseffektivitet på 92,4%, noe som er nesten dobbelt så høy som CRP, og 1,2 ganger høyere enn O-CRP.

Kinetiske analyser viste at DO-CRP hadde en rask reaksjonshastighet i begynnelsen, som deretter avtok etter hvert som U(VI)-konsentrasjonen ble redusert. Dette indikerer en dynamisk interaksjon mellom uranionene og de overflatebundne PO₄³⁻ gruppene.

Flere tester ble utført for å undersøke hvordan pH, forholdet mellom fast stoff og væske, samt tilstedeværelsen av forstyrrende ioner påvirket uran-ekstraksjonen. DO-CRP opprettholdt høye ekstraksjonseffektiviter (>90%) over et pH-område fra 4 til 7. Den negative ladningen på overflaten ved pH-verdi over 4 fremmet elektrostatiske tiltrekninger med de kationiske UO₂²⁺ ionene, og forbedret dermed ekstraksjonsytelsen ytterligere. Ved forhold over 1:5 mg/mL ble ekstraksjonseffektiviteten høyere enn 87,4%, og DO-CRP viste også høy motstand mot interferens fra konkurrerende ioner som Na+, K+, Cs+, og Sr²+, med effektivitet over 88,2%. Imidlertid ble ytelsen betydelig redusert når Ca²⁺ og Fe³⁺ var til stede, ettersom disse ionene dannet uløselige komplekser som Ca₃(PO₄)₂ og FePO₄, som hindret uranbindingen.

Testene i en organiske fase, simulert med TBP-kerosene, som er en viktig komponent i PUREX-prosessen for uranbryting, viste at DO-CRP hadde jevn ytelse i slike systemer også. Dette gjør DO-CRP til en lovende kandidat for praktisk anvendelse i miljøteknologi og uranrensing.

Hvordan Heterogene Grensesnitt Forbedrer Elektrokatalytisk Reduksjon av Uran til Ekstraksjon fra Sjøvann

Elektrokjemisk reduksjon for å konvertere løselig U(VI) til nøytrale uranprodukter har blitt ansett som en effektiv metode for uran-separasjon. Forskning har vist at tilpassede materialer som MoS2 fungerer godt som elektrode i prosesser for uran-ekstraksjon fra sjøvann, med høy effektivitet. Imidlertid har tradisjonelle elektro-katalysatorer basert på pulver, som ofte benytter polymerbindemidler som Nafion, en ulempe: de skaper et økt "dødt volum" i materialene, noe som kan påvirke effektiviteten.

Et grunnleggende utfordring i elektro-assistert uran-ekstraksjon er effektiv elektronoverføring fra aktive sentre til koordinasjonssider. Dette er nært knyttet til behovet for eksepsjonell elektrisk ledningsevne og et høyt antall koordinasjonssider i elektrokatalysatorene. En metode for å forbedre ledningsevnen i en elektrokatalysator er heterointerface engineering. Denne teknikken innebærer å innlemme heterogene katalysatorer, som danner et innebygd elektrisk felt (BIEF) gjennom interfasielle bindingskjeder mellom den opprinnelige katalysatoren og den nylig introduserte heterogene katalysatoren.

BIEF gjør det lettere å transportere ladningsbærere, og dermed akselererer prosessen med å redusere og fange uran. Ved å tilpasse de aktive sidene i materialet kan man også forbedre reduksjonsprosessen. Kombinasjonen av heterointerface engineering og M-OH tilbyr et lovende tilnærming for å forbedre effektiviteten av uran-ekstraksjon. For eksempel kan Co3O4@FeOx, som er rikt på M-OH, akselerere adsorpsjon og reduksjon av uran ved å forbedre det elektroniske strukturelle samspillet mellom materialene, noe som igjen øker effektiviteten i fluorholdig avløpsvann.

Gjennom eksperimentelle målinger, som X-ray Absorption Fine Structure (XAFS), er det mulig å bekrefte at Co3O4@FeOx med M-OH effektivt fanger og dissosierer uran til former som kan skilles gjennom elektro-kjemisk drevet uran-separasjon. Teoretiske beregninger viser også at Co3O4@FeOx med M-OH forbedrer affiniteten for uran, noe som har stor betydning for kapasiteten til uran-ekstraksjon.

Materialene Co3O4@FeOx ble syntetisert ved en kontinuerlig to-trinns varmebehandlingsprosess. Først ble FeOx nanosheet-arrays dannet ved å varmebehandle ved 500 °C i fire timer, deretter ble materialene dyppet i en Co(NO3)2∙6H2O løsning for 12 timer før de ble tørket og deretter varmet i luft. Mikroskopiske bilder viser at de resulterende Co3O4@FeOx nanosheetene var jevnt og vertikalt orientert på Fe-foils overflate, og dannelsen av et p-n heterojunction mellom Co3O4 og FeOx skapte et elektrisk felt som forbedret elektronstransport og ledningsevne.

For å validere strukturen av materialene ble XRD og Raman-analyser utført. XRD-mønstrene viste karakteristiske topper for FeOx og Co3O4@FeOx, mens Raman-spektroskopi bekreftet tilstedeværelsen av spesifikke fononmoduser for begge materialene. I tillegg viste målinger av kontaktvinkel at Co3O4@FeOx hadde økt hydrofili sammenlignet med FeOx, noe som kan åpne for flere aktive steder for uran-separasjon i fluorholdig avløpsvann.

For å oppsummere, Co3O4@FeOx-materialene, med heterogene grensesnitt og M-OH, viser betydelig forbedret ytelse i uran-ekstraksjon, både i forhold til kapasitet, stabilitet og selektivitet. Denne tilnærmingen gir ikke bare en lovende metode for uran-utvinning fra sjøvann, men gir også viktige innsikter i hvordan grensesnittdesign kan spille en avgjørende rolle i forbedringen av elektrokatalytiske prosesser.

Endtext