Hvordan oksygenvakansenes rolle påvirker fotokatalytisk uranreduksjon

Analyser av XRD-mønstre (figur 6.12c) viser at de karakteristiske toppene for den originale WO3, WO2.92 og WO2.78 alle samsvarer med monoclinisk WO3 (JCPDS No. 830951). Ved langsom skanning av XRD-bildene kan det observeres at med økende innhold av vakans, forskyves de karakteristiske diffraksjonstoppene mot mindre vinkler. Denne endringen tilskrives den økte frastøtningen mellom de positive wolframionene forårsaket av oksygenvakansene, noe som bekrefter tilstedeværelsen av oksygenvakansene (figur 6.12d). Både ESR- og XPS-analyser bekreftet eksistensen av oksygenvakansene. ESR-spektrene (figur 6.13a) viste symmetriske ESR-signaler ved g = 2.003, med signalintensitet som indikerer WO2.78 > WO2.92 > WO3, noe som viser at vakansingeniøringen har vært vellykket [40].

I W 4f XPS-spektrene (figur 6.13b) ble det observert at med økende innhold av vakans, flyttet toppene til W 4f5/2 og W 4f7/2 seg mot høyere bindingsenergier. Dette demonstrerer at W i WO2.78 bærer en redusert positiv ladning sammenlignet med WO2.92 og WO3 [41]. I O 1s spektrene (figur 6.13c) fremkom et stadig mer fremtredende nytt signal på 531,80 eV med økende oksygenvakansinnhold, noe som bekrefter den vellykkede introduksjonen av oksygenvakansene [34].

Den fotokatalytiske reduksjonen av uran ble deretter undersøkt under forhold som simulerte industrielle utslipp. Testene bekreftet at oksygenvakansene har en signifikant innvirkning på fotokatalytisk aktivitet. Under løsninger med pH 4,8, 8 mg/l U(VI), og 1 mg/l TA som simulerte organiske urenheter, ble fjerningen av U(VI) fra W-baserte materialer evaluert. Figur 6.15a viser at under mørke forhold hadde WO2.78 en U(VI)-utvinningsrate på 39%, høyere enn WO3 (18%) og WO2.92 (25%). Denne økningen indikerer at tilstedeværelsen av oksygenvakansene forbedrer overflateadsorpsjonen av fotokatalysatoren mot U(VI). Ved eksponering for simulert sollys, viste WO2.78 en betydelig bedre ytelse enn WO3 og WO2.92, med en utvinningsrate på 95,6%. Reaksjonskonstantene for den fotokatalytiske reaksjonen (k) ble beregnet til 0,007 min⁻¹ for WO3, 0,024 min⁻¹ for WO2.92, og 0,048 min⁻¹ for WO2.78, som illustrert i figur 6.15b. Disse resultatene demonstrerer at oksygenvakansene forbedrer WO3s effektivitet i fjerning av U(VI).

I tillegg ble oksidasjonstilstanden til uran etter fotokatalyse verifisert, og XPS ble brukt for å karakterisere de fotoreduksjonerte produktene av WO3, WO2.92 og WO2.78. Figur 6.15f viser at U 4f7/2-signalet dekonvoluterte i to hovedtopper på 381,8 eV og 380,2 eV, som representerer U(VI) og U(IV), henholdsvis. På WO3 eksisterte uran hovedsakelig som U(VI), mens WO2.92 og WO2.78 viste reduksjonsrater på henholdsvis 43,8% og 84,5% for U(VI). Dette indikerer at induksjonen av oksygenvakansene forbedrer den fotokatalytiske evnen til WO3 for reduksjon av U(VI).

Elektrokjemiske tester på oksidasjons-reduksjonspotensialet til fotokatalysatorene for U(VI) ble også utført for å undersøke mekanismene involvert. Bruken av en løsning som inneholder 80 μg/l U(VI) og 0,5 M NaNO3, hvor LSV-kurver ble registrert ved en skanningshastighet på 2 mV/s innenfor et potensialområde på −1,6 til 0 V versus Ag/AgCl, viste to reduksjonstopper som tilsvarer reduksjoner fra U6+ til U5+ og fra U5+ til U4+ [45, 46].

Hvordan oksygenfeil i In2O3-nanosjikt bidrar til elektrolytisk uranuttak fra sjøvann

I denne studien ble Vo-rike In2O3−x nanosjikt utviklet ved hjelp av solvotermisk metode og H2-plasmametode for elektrolyse av uran fra sjøvann. Dette materialet, som har fått oppmerksomhet for sin imponerende evne til å utføre uranuttak i sjøvann, har vist seg å ha fremragende ytelse sammenlignet med andre In2O3-baserte nanosjikt.

In2O3, et halvledermateriale, har fått økende interesse på grunn av dets unike egenskaper når det gjelder elektrolytisk utvinning av verdifulle stoffer som uran fra sjøvann. En stor utfordring i denne prosessen har vært effektivt å håndtere forurensende ioner i sjøvann som kan redusere effektiviteten til uttaket. In2O3-nanosjiktene, spesielt de som er rike på oksygenfeil, har vist seg å være mer robuste i forhold til disse forstyrrelsene. Studien undersøker hvordan oksygenfeil (Vo) spiller en viktig rolle i prosessen for elektrolytisk uranuttak.

Oksygenfeilene i nanosjiktene spiller en avgjørende rolle i elektrolyseprosessen. Disse feilene er mikroskopiske mangler i krystallstrukturen til In2O3 som skaper aktive steder for interaksjon med uranioner. Ved elektrolyse reduseres uran i form av U(VI) til U(IV), en prosess som er sterkt påvirket av oksygenfeilene. Studien viser også at de Vo-rike In2O3−x nanosjiktene har en anti-interferenskapasitet, noe som gjør dem i stand til å operere i sjøvann med tilstedeværelse av andre ioner som Mg2+ og Ca2+ uten at effektiviteten reduseres betydelig.

Forskjellige analyser, som XRD, XPS og ESR-spektroskopi, bekreftet at oksygenfeilene i materialet var ansvarlige for den høyere elektrolytiske ytelsen. XPS-spektrene avslørte at oksygenfeilene i materialet ble regenerert under elektrolyseprosessen, noe som tyder på at det er en dynamisk prosess som kan justeres ved riktig kontroll av potensialet og elektrolyttforholdene.

En ytterligere utfordring ved elektrolytisk uranuttak er effektiviteten av desorpsjonen, det vil si prosessen der det uttrekkede uranet frigjøres fra nanosjiktet for videre behandling. I denne studien ble desorpsjonsprosessen undersøkt ved bruk av 0,5 M NaCl som elektrolytt. Den elektrokjemiske regenereringen av Vo-rike In2O3−x nanosjiktene viste seg å være effektiv, og materialet beholdt sin høy ytelse over flere sykluser.

Studien gir et nytt perspektiv på elektrolytisk uranuttak fra sjøvann og peker på betydningen av oksygenfeil i materialene som brukes. Gjennom videre forskning kan det være mulig å utvikle materialer med enda høyere effektivitet og lengre levetid for industrielle applikasjoner som utnyttelse av havvannsressurser til uranutvinning. Dette åpner også opp for muligheten til å forbedre prosessene for å redusere miljøpåvirkningen fra uranutvinning på land, samt øke tilgjengeligheten av uran for bruk i kjernekraftindustrien.

For leseren er det viktig å forstå at oksygenfeil ikke bare er en passiv strukturfeil, men en aktiv deltaker i kjemiske reaksjoner som påvirker både hastigheten og effektiviteten av prosessene i elektrolyse. Fremtidige teknologier for uranuttak vil sannsynligvis dra nytte av spesialtilpassede materialer med kontrollert oksygenfeilstruktur for å maksimere uttaket og minimere energiforbruket. Dermed kan slike materialer også ha potensial for andre elektrolytiske prosesser, som vannbehandling, CO2-reduksjon og energiproduksjon, i tillegg til uranutvinning.

Hvordan nanoskalet null-valent jern (nZVI) kan forbedre effektiviteten i uranutvinning fra forurenset vann

Uran er et av de farligste radioaktive stoffene som finnes i miljøet, spesielt i områder rundt uranminene og atomkraftverk. Å effektivt fjerne uran fra forurenset vann har derfor blitt et stort fokus for både vitenskapelig forskning og miljøteknologi. En av de mest lovende tilnærmingene til dette er bruken av nanoskalet null-valent jern (nZVI), et materiale som har vist seg å være svært effektivt i å redusere og adsorbere tungmetaller, metalloider og andre farlige forurensninger fra vann.

Null-valent jern (ZVI) er kjent for sine sterke reduserende egenskaper og evne til å adsorbere ulike forurensninger. Nanoskalet ZVI (nZVI) har enda bedre egenskaper enn bulk-ZVI, blant annet på grunn av sin betydelig større spesifikke overflate og høyere redoks-potensial. Dette gir nZVI en høyere reaktivitet og gjør det mer effektivt i kjemiske reaksjoner. I sammenheng med uranutvinning fra forurenset vann fungerer nZVI ved å redusere uran fra sin høyt oksiderte form, U(VI), til den lavere oksiderte og mindre farlige U(IV)-formen, som er mindre løselig og mer stabil i miljøet.

En lovende løsning er bruken av konjac glucomannan (KGM), et biokompatibelt stoff som har gode gellende egenskaper. KGM kan fungere som et binde- og dispergeringsmiddel for nZVI, og skape et stabilt materiale, nZVI@KGMC. Denne modifikasjonen gjør det mulig for nZVI-partiklene å spre seg jevnt i løsningen, og dermed opprettholde høy reaktivitet. Den høye spesifikke overflaten og tilstedeværelsen av oksygenholdige funksjonelle grupper på KGM overflaten gjør at nZVI kan adsorbere og redusere uran mer effektivt, samtidig som det hindrer nanopartiklene fra å oksidere.

Denne nZVI@KGMC-modifikasjonen har vist seg å være spesielt effektiv i behandling av uran-kontaminert avløpsvann, som finnes i både uranmineslam og avløpsvann fra atomkraftverk. Når uran (U(VI)) ionene kommer i kontakt med nZVI@KGMC, reduseres de raskt til den mindre løselige og mindre giftige U(IV)-formen. Dette reduserer ikke bare den biologiske toksisiteten til uranet, men gjør det også lettere å fjerne fra vannet, ved at det felles ut som et fast stoff.

Nanoskalet nZVI@KGMC har også en annen viktig fordel: den kan justeres i størrelse for å øke overflatearealet, noe som igjen forbedrer både adsorpsjon og reduksjonseffektivitet. I tillegg til den mekaniske reduksjonen av uran, danner nZVI@KGMC stabile bindinger med uranionene, og forhindrer at de slipper ut igjen i miljøet. Dette gjør materialet spesielt lovende for bruk i langvarig sanering av radioaktive forurensninger.

Videre forskning på nZVI@KGMC og lignende materialer fokuserer på å optimere produksjonsmetodene, for eksempel ved å bruke lavtemperatur karbotereduksjon for å hindre oksidasjon og oppnå en mer effektiv utnyttelse av materialene. En viktig retning i denne forskningen er å forbedre de mekanismene som styrer størrelsen og fordelingen av nanopartiklene, noe som vil gjøre det lettere å bruke nZVI@KGMC i storskala sanering, for eksempel i industriell behandling av uranforurenset vann.

I tillegg til disse teknologiske fremskrittene, er det også viktig å vurdere de potensielle langsiktige miljøeffektene av nZVI-bruk. Selv om nZVI er et effektivt reduserende og adsorberende materiale, er det fortsatt spørsmål knyttet til hvordan nanopartiklene reagerer i naturlige økosystemer, og hvilke langsiktige konsekvenser det kan ha for helse og miljø. Derfor er det avgjørende at videre forskning ikke bare fokuserer på effektiviteten av nZVI, men også på dets langsiktige sikkerhet og bærekraft.