I forskningen om halvledarmaterial och deras tillämpning för fotokatalytisk uranreduktion har utvecklingen av nya material med optimerade ytegenskaper visat sig vara avgörande för att förbättra både effektiviteten och hastigheten på uranextraktionen. En av de mest intressanta aspekterna av dessa material är införandet av syre-vakanser som öppnar upp nya möjligheter för att fånga och reducera UO2+ 2, vilket i sin tur kan främja uranextraktionen under synligt ljus.

Vid konstruktion av fotokatalytiska system är det viktigt att förstå hur syre-vakanser kan fungera som adsorptionssidor för U(VI). Genom att skapa dessa tomma platser på materialets yta ökar inte bara antalet bindningssidor för uran, utan det minskar också bandgapet för materialet, vilket gör att det kan absorbera ett bredare spektrum av synligt ljus. Samtidigt minskar dessa förändringar i materialets struktur återkombinationen av laddningsbärare, vilket gör fotokatalysprocessen mer effektiv.

En annan viktig aspekt i denna utveckling är användningen av heteroatom-doping. Genom att tillsätta andra atomer till halvledarens struktur kan man ytterligare förbättra separeringen av elektronhålpar, vilket minskar förluster och förbättrar den fotokatalytiska effekten. Dessutom innebär det att materialet kan absorbera ljus bättre, vilket gör att det kan reducera uran på ett mer effektivt sätt under fotokatalytiska processer.

För att ytterligare förstärka reaktionen, bildas i vissa material M—O—H-bindningar vid defektsidor, vilket inte bara förbättrar materialets hydrofilicitet utan också gör att det får en högre selektivitet för uran. Denna typ av strukturell modifiering är avgörande för att förbättra effektiviteten vid fotoreduktion av U(VI) till U(IV), som är ett mer lättillgängligt och stabilt tillstånd för extraktion.

Utöver de tekniker som fokuserar på ytkonstruktion, som syre-vakanser och heteroatom-doping, finns det andra metoder för att optimera elektrontransporten och därmed förbättra fotokatalytisk effektivitet. Yt-hybridisering och gränssnittsingenjörskap är till exempel lovande metoder för att optimera elektron- och håltransportvägar i fotokatalysatorerna. Dessa tekniker förbättrar inte bara ljusabsorptionen utan gör också materialet mer reaktivt mot specifika ämnen, som uran, vilket ökar uranextraktionshastigheten och effektiviteten.

En annan aspekt som inte får underskattas är användningen av komplexa nanostrukturer och kompositer, som ZIF-8/g-C3N4 och andra avancerade material, för att förstärka den fotokatalytiska effekten och möjliggöra effektiv användning av synligt ljus vid uranextraktion. Dessa kompositer är designade för att kombinera fördelarna med olika material och skapa synergistiska effekter som kraftigt förbättrar uranextraktionen, särskilt vid tillämpning under naturliga förhållanden som vid havsvattenextraktion.

Förutom dessa tekniska framsteg är det också viktigt att förstå de teoretiska aspekterna av fotoreduktion och materialinteraktioner på molekylär nivå. En djupare förståelse för hur fotokatalytiska material interagerar med uranjoner och andra komponenter i lösningen kan ytterligare förbättra designen av material och processer för uranextraktion.

Det är avgörande att beakta hela processen från materialsyntes till själva uranextraktionen och att utveckla metoder som är både effektiva och hållbara för långvarig användning. Forskning och utveckling på detta område öppnar upp nya möjligheter för effektiv och miljövänlig uranextraktion, vilket är särskilt viktigt i kontexten av energiproduktion och miljöskydd.

Hur duala kokatalysatorer förbättrar fotoreduktion av U(VI) för effektiv uranextraktion

MnOx nanopartiklar, som fungerar som oxidation cocatalysatorer, påskyndade vattenoxidationsreaktionen. Detta ledde till en högre produktion av ∙OH− radikaler per tidsenhet i fallen med MnOx/UiO-66/Ti3C2Tx och MnOx/UiO-66. En viktig mekanism inträffade när Ti3C2Tx MXene kombinerades med systemet. Ti3C2Tx MXene förhindrade rekombination av elektron-hål genom att extrahera elektroner. Denna extraktionsprocess var avgörande då den gjorde det möjligt för ∙OH− radikaler att produceras i både MnOx/UiO-66/Ti3C2Tx och UiO-66/Ti3C2Tx. Som ett resultat av denna interaktion och dessa mekanismer uppvisade provet MnOx/UiO-66/Ti3C2Tx, som hade dubbla cocatalysatorer, det starkaste ∙OH− signalen. Detta tyder på att kombinationen av MnOx nanopartiklar och Ti3C2Tx MXene i detta prov skapade en optimal miljö för produktion och förstärkning av ∙OH radikaler.

Vid fotoreduktion av U(VI) över MnOx/UiO-66/Ti3C2Tx under ljusbestrålning (som visas i Figur 7.22f) presenterade vi ett schematiskt reaktionsmekanism. Detaljerna kan förklaras enligt följande: (i) Under ljusbestrålning inducerade UiO-66 MOF exitering av elektroner från VB till CB, vilket resulterade i bildandet av hål i VB; (ii) Elektroner transporterades från CB i UiO-66 MOF till Ti3C2Tx MXene. Denna överföring möjliggjorde reduktion av U(VI) och produktion av ∙O − 2 radikaler. Ett stabilt kristallfas (UO2)O2∙2H2O bildades; (iii) MnOx nanopartiklar extraherade hål för vattenoxidation. De spatialt separerade dubbla cocatalysatorerna i UiO-66 MOF förbättrade effektiviteten i elektron-hål separation och främjade båda redoxhalvreaktionerna, vilket möjliggjorde hög effektivitet i U(VI) fotoreduktion i MnOx/UiO-66/Ti3C2Tx.

Sammanfattningsvis visade den framgångsrikt förberedda MnOx/UiO-66/Ti3C2Tx-kompositen sig vara en mycket effektiv katalysator för fotoreduktion av U(VI), utan behov av konstgjorda agenter. Under 60 minuter i U(VI)-lösning nådde U(VI)-borttagningsgraden 98,4 % för MnOx/UiO-66/Ti3C2Tx, med en fotoreaktionshastighetskonstant på 0,0948 minut−1. Separationseffektiviteten för fotogenererade elektron-hål par ökade avsevärt tack vare de dubbla cocatalysatorerna som var spatialt separerade i MnOx/UiO-66/Ti3C2Tx. Under ljusexponering transporterades fotogenererade elektroner från CB i UiO-66 MOF till Ti3C2Tx MXene, vilket underlättade reduktion av U(VI) och produktion av ∙O − 2 radikaler, och stabiliserade kristallfasen (UO2)O2∙2H2O. Samtidigt extraherade MnOx nanopartiklar hål inom MnOx/UiO-66/Ti3C2Tx-kompositen, vilket främjade vattenoxidationen. Denna djupgående studie presenterar inte bara en effektiv fotokatalysator som är mycket kapabel att reducera U(VI), utan den introducerar också en banbrytande strategi för utveckling av fotokatalysatorer, dekorerade med spatialt separerade dubbla cocatalysatorer, vilket öppnar upp nya möjligheter inom fotokatalysforskning och tillämpning.

Modifikationsmetoderna som beskrivs i denna studie förbättrar signifikant effektiviteten i laddningsseparation och minskar laddningstransferresistens, vilket förbättrar både adsorptionskapacitet och hastigheter för uran. Detta gör dem mycket lovande för effektiv uranåtervinning. Trots dessa framsteg kvarstår dock vissa utmaningar, såsom komplexa syntesprocesser, svårigheter med storskalig produktion och långsiktig stabilitet i praktiska tillämpningar. Framtida forskning bör prioritera kostnadseffektiva och skalbara syntestekniker, stabilitetsförbättringar, integration med hållbara energilösningar och noggranna miljöbedömningar. Att ta itu med dessa frågor kommer att bana väg för effektivare, hållbara och miljövänliga metoder för uranextraktion, vilket kan revolutionera återvinning av kärnresurser.

Hur effektivt kan olika material ta bort U(VI) från vatten under ljusbehandling?

Vid belysning med en xenonlampa (full spektrum, 200 mW/cm²), där den initiala koncentrationen av U(VI) var 50 mg/L, pH = 5, temperatur = 293 K och koncentrationen av fotokatalysator var 0,5 g/L, testades adsorptions- och fotokatalytiska förmågor hos tre olika prover. Figur 9.3a visar förändringen i koncentrationen av U(VI) över tid för de tre proverna. Efter två timmars mörk behandling var avlägsningseffektiviteten för U(VI) för NH2-UiO-66, MnOx/NH2-UiO-66 och MnO2/NH2-UiO-66 24,8%, 46,8% och 26,4%, respektive. Efter två timmars ljusbehandling ökade avlägsningseffektiviteten för NH2-UiO-66 och MnO2/NH2-UiO-66 något till 34,2% respektive 41,3%, medan MnOx/NH2-UiO-66 uppnådde en anmärkningsvärd effektivitet på 97,8%. För att ytterligare utvärdera reaktionskinetiken beräknades de fotokatalytiska hastighetskonstanterna (k) för de tre proverna. Figur 9.3b presenterar anpassningsresultaten för första ordningens kinetik, där k-värdena för NH2-UiO-66, MnOx/NH2-UiO-66 och MnO2/NH2-UiO-66 var 0,0052, 0,0360 och 0,0065/min, respektive. MnOx/NH2-UiO-66 uppvisade en enastående U(VI)-avlägsnande kapacitet och utmärkt selektiv adsorptionsförmåga under katjoninterferens (figur 9.3c). Dessutom visade MnOx/NH2-UiO-66 exceptionell U(VI)-avlägsnande effektivitet (>90%) över åtta cykler (figur 9.3d).

Mot bakgrund av de stora volymerna av fluorrika och uranbelastade avloppsvatten som genereras av industriella processer, genomfördes tester på avlägsningseffektiviteten för U(VI) med MnOx/NH2-UiO-66 i närvaro av F⁻-joner. Eftersom F⁻ kan bilda starka Zr-F-bindningar med zirkonium analyserades XRD-spektra för MnOx/NH2-UiO-66 efter reaktionen under fluoridinterferensförsöken, och koncentrationen av kvarvarande Zr4+ i lösningen mättes med hjälp av induktivt kopplad plasma optisk emission spektroskopi (ICP-OES). Som illustreras i figur 9.4a visade MnOx/NH2-UiO-66 en lovande U(VI)-avlägsnande effektivitet på 81,9% trots F⁻-interferens. Å andra sidan visade XRD-spektra för MnOx/NH2-UiO-66 (figur 9.4b) att dess struktur och kristallinitet förblev i stort sett intakt även när den utsattes för vissa koncentrationer av korrosiva F⁻-joner.

För praktiska tillämpningar ritades variationen i U(VI)-koncentrationen över en dag, med mätningar tagna var 15:e minut för att bedöma solens strålningsnivåer. Som visas i figur 9.5 uppnådde MnOx/NH2-UiO-66 under solens exponering mellan 8:00 och 18:00 en anmärkningsvärd U(VI)-avlägsnande effektivitet på 99,9%.

Genom att undersöka de elektroniska strukturerna och optiska egenskaperna hos NH2-UiO-66, MnOx/NH2-UiO-66 och MnO2/NH2-UiO-66 utforskades mekanismen bakom den fotokatalytiska reduktionen av U(VI). De ultraviolett-synliga (UV-Vis) spektra för de tre proverna (figur 9.6a) indikerar att införandet av MnOx-nanopartiklar på NH2-UiO-66 avsevärt förbättrar ljusabsorptionen i det synliga ljusets spektrum. Efter 10 timmars belysning minskade koncentrationen av U(VI) från 50 mg/L till 28 μg/L, vilket uppfyller Världshälsoorganisationens (WHO) dricksvattenstandarder. Genom att använda Tauc-ekvationen och UV-Vis absorbanskvoter (figur 9.6a) konstruerades diagram över (𝛼 - h𝜈)² versus h𝜈. Bandgap (Eg)-värdena för NH2-UiO-66, MnOx/NH2-UiO-66 och MnO2/NH2-UiO-66 bestämdes till 3,01, 2,88 respektive 2,94 eV (figur 9.6b). Baserat på dessa Eg-värden och valensbandsmaximumets (VBM) positioner konstruerades bandstruktursdiagram för de tre proverna (figur 9.6c). Figur 9.6c visar att ledningsbandets (CB) kanter för alla tre prover överstiger reduktionspotentialen för UO₂²⁺/UO₂-kopplingen (-0,411 eV), vilket uppfyller de teoretiska kraven för den fotokatalytiska reaktionen.

För att ytterligare undersöka reaktionsmekanismen analyserades de roller som aminogrupperna och MnOx-nanopartiklar spelade i den fotokatalytiska reduktionen av U(VI) med MnOx/NH2-UiO-66. Morfologin och strukturen för MnOx/NH2-UiO-66 bibehölls väl och elementfördelningen förblev oförändrad under hela processen. Dessutom analyserades XRD-spektra för MnOx/NH2-UiO-66 före och efter reaktionen. Som visas i figur 9.7a bibehölls den strukturella integriteten för MnOx/NH2-UiO-66 effektivt efter reaktionen, med en tydlig topp motsvarande UO₂O₂∙2H₂O (# PDF 35-0571) observerad i spektra. I U 4f XPS-spektret för MnOx/NH2-UiO-66-U detekterades två huvudtoppar, motsvarande U 4f5/2 och U 4f7/2 nivåer (figur 9.7b). U 4f5/2-signalen, med bindningsenergi från 385 till 395 eV, upplöstes i två toppar vid 391,2 och 392,8 eV, vilket motsvarar U(IV) och U(VI), respektive. Inom bindningsenergins intervall 375 till 385 eV (U 4f7/2 signal) detekterades karakteristiska toppar som bekräftade U(VI)-reduktionen.

Det är viktigt att förstå att processen för fotokatalytisk reduktion av U(VI) är komplex och beror på flera faktorer. Förutom att fotokatalysatorns strukturella egenskaper spelar en avgörande roll, påverkar även externa faktorer som pH-värde, temperatur och koncentrationen av interagerande joner reaktionsdynamiken. Genom att optimera dessa parametrar kan man förbättra effektiviteten i U(VI)-avlägsnandeprocessen, vilket gör det möjligt att utveckla hållbara teknologier för att hantera kontaminerade vattenkällor. Det är också av vikt att förstå att även om vissa material har visat sig vara effektiva under kontrollerade laboratorieförhållanden, krävs ytterligare forskning och testning under mer varierande, praktiska förhållanden för att säkerställa långsiktig funktionalitet och stabilitet i industriella tillämpningar.

Hur fotokatalysatorer och elektrokemiska metoder påverkar uranextraktion och avloppsrening

Under reduktionsprocessen genererar fotokatalysatorer elektron-hål-par under ljusbelysning; elektronerna reducerar U(VI) till U(IV) i lösningen, medan hålen vanligtvis reagerar med vatten för att producera syre. Denna teknik extraherar inte bara effektivt uran från uranhaltigt avloppsvatten utan kan även tillämpas för att återvinna uran från havsvatten. Forskare har utvecklat olika fotokatalysatorer, inklusive metall-organiska ramverk (MOFs), kovalenta organiska ramverk (COFs) och halvledarmaterial, och förbättrat deras prestanda genom modifieringar. Trots dessa framsteg kvarstår utmaningar i att öka fotokatalysatorernas effektivitet, minska kostnaderna och förbättra deras stabilitet. Framtida forskning kan fokusera på utvecklingen av nya fotokatalysatorer, en djupare förståelse för fotokatalytiska mekanismer och främjandet av denna teknologis praktiska tillämpning inom uranextraktion och avloppsbehandling.

Elektrokemisk uranreduktionsteknik håller på att bli en nyckelmetod inom kärnenergiindustrin, där den typiskt involverar reduktion av U(VI) till U(IV). Mekanismen för denna process omfattar adsorption av U(VI) på elektrodernas yta, elektronöverföring och efterföljande fällning. Denna process kan uppnås genom direkt tillämpning av en elektrisk ström eller genom att utnyttja elektrodernas elektrokemiska aktivitet. Tekniken används främst vid behandling av kärnavfallsvatten och för extraktion av uran från havsvatten. Dock kvarstår betydande utmaningar, såsom att förbättra selektiviteten, effektiviteten i energianvändningen och säkerställa stabiliteten hos elektrodmaterialen. Forskare arbetar aktivt för att utveckla mer effektiva elektrodmaterial, förstå uranreduktionens mekanismer på djupet och främja teknikens storskaliga tillämpning för att uppnå en hållbar användning av uranresurser. Dessutom har uranbaserade material som erhålls efter elektrokemisk reduktion visat stor potential för användning i olika katalytiska reaktioner tack vare deras flexibla elektronöverföringskapacitet och utmärkta selektivitet. Dessa material visar även lovande utsikter inom andra elektrokemiska områden.

Under uranextraktion finns uranet huvudsakligen i form av uran U(VI), vanligtvis som uranylkationer (UO₂²⁺) eller dess komplex. Dessa arter kan omvandlas genom interaktioner med ämnen i havsvatten, urangruvavloppsvatten och kärnavloppsvatten under specifika kemiska förhållanden. Den reduktiva extraktionsprocessen för uran åtföljs vanligtvis av adsorption av fritt uranyl och dess föreningar på katalysatorns yta, där de reduceras genom de elektroner som katalysatorn tillhandahåller. De reducerade arterna genomgår kristallisation och kristallomvandling, vilket åtföljs av reduktion från U(VI) till U(V) och U(IV), samt disproportinering av U(V) till U(IV). Nyckeln till att avgöra effektiviteten i U(VI)-reduktion ligger i styrkan hos adsorptionen av uranyl och dess komplex på materialets yta och materialets förmåga att reducera U(VI).

Adsorptionen och koordineringen av UO₂²⁺ och dess komplex på materialens ytor kan avsevärt förbättra uranextraktionens effektivitet och kapacitet. Material med goda adsorptionsegenskaper kan effektivt bilda stabila komplex med UO₂²⁺ även i miljöer som innehåller ett flertal störande joner, vilket leder till effektiv immobilisering av uran. De specifika adsorptionsegenskaperna påverkas direkt av materialens förmåga att interagera med uranyl. Dessa förmågor kan ytterligare förstärkas genom att noggrant justera materialens fysikaliska och kemiska egenskaper, såsom att justera porstorlek, porositet och den ytkemiska sammansättningen. Genom att införa specifika organiska eller oorganiska funktionella grupper kan interaktionerna mellan material och uranyl ökas, vilket förbättrar selektiviteten vid adsorption. Konstruktionen av nanomaterial med specifika morfologier eller dimensioner, såsom nanowires, nanosheets eller nanotuber, kan också förbättra materialens adsorptionsegenskaper genom att skapa fler aktiva ytor. Dessa nanostrukturer ökar inte bara det specifika ytområdet för materialen utan förbättrar också adsorptionens kinetik genom yteffekter och kvantstorlekseffekter.

Den selektiva reduktionskapaciteten hos material bestämmer deras effektivitet och selektivitet vid extraktion av uran från komplexa miljöer. Material med god kapacitet för att reducera uranyl UO₂²⁺ och dess komplex kan effektivt reducera U(VI) till U(IV), även i närvaro av ett stort antal störande joner, vilket resulterar i hög uranextraktionseffektivitet. Dessutom påverkar reduktionsprestanda direkt reaktionens kinetik. Vissa material kan avsevärt påskynda reduktionen av U(VI) genom att förbättra laddningsseparation och överföringseffektivitet, vilket därmed ökar den totala uranextraktionshastigheten. Genom att rationellt designa materialens struktur och egenskaper, till exempel genom att införa specifika funktionella grupper eller konstruera heterojunktioner, kan reduktionskapaciteten för materialet avsevärt förbättras.

De materiella egenskaperna och strukturerna som används för att optimera uranextraktionsprocessen är avgörande för att säkerställa hög effektivitet och selektivitet, särskilt i komplexa miljöer. Detta gör materialen till lovande kandidater för praktiska tillämpningar inom både uranåtervinning och avloppsbehandling.

Uranreserverna i havsvatten överstiger de på land, med ett uppskattat totalt innehåll på cirka 4,5 miljarder ton. Därför har utvecklingen av uranextraktionsteknik från havsvatten potentialen att minska beroendet av begränsade terrestriska uranreserver och samtidigt bidra till en stabil försörjning av kärnenergi. När nya material och innovativa metoder fortsätter att utvecklas, blir extraktion av uran från verkliga marina miljöer gradvis ett genomförbart alternativ. Den största utmaningen ligger i att koncentrationen av uran i havsvatten är låg, cirka 3,3 delar per miljard (ppb), vilket kräver adsorbentmaterial med exceptionell selektivitet och adsorptionkapacitet för uranylkationer och deras komplex. Den komplexa marina miljön och de olika störande joner som finns där ställer ytterligare krav på de material som används för extraktionen.

Hur mycket kan du spara med solceller? Fördelar, design och investering
Hur beräknas effektiviteten i ångturbinkraftverk?
Hur skapar man en användarvänlig upplevelse för potentiella parkeringstagare med hjälp av ESP32?