Hur kan väteincorporering förbättra fotokatalytisk reduktion av U(VI) med semikonduktorer?

Fotokatalytisk reduktion är en lovande metod för att extrahera och minska radioaktiva ämnen som uran (U). Denna process utnyttjar halvledarmaterial, som genom ljusinducerad excitation kan katalysera kemiska reaktioner, vilket leder till en effektiv reduktion av U(VI) till U(IV). Genom att införliva väteatomer i strukturen av vissa halvledare, som VO2 och WS2, kan denna fotokatalytiska aktivitet förstärkas, vilket gör det möjligt att uppnå högre reduktionseffektivitet och ökad stabilitet i processen.

Vid en annan undersökning, där WS2 (wolframdisulfid) användes som fotokatalysator, visade det sig att oxidering av WS2 genom in-situ-processer också förbättrade reduktionen av U(VI). Genom att justera oxidationsnivåerna hos WS2 nanosheets, från WS2-Ox (med olika nivåer av oxidation), kunde forskarna visa på en signifikant ökning av adsorptionen av UO2+2 och förbättrad fotoreduktion av U(VI). Detta beror på att hydroxylgrupper som bildas på ytan av det oxiderade WS2 skapar ytterligare aktiva sidor för adsorption, vilket gör att U(VI) binds bättre och kan reduceras mer effektivt under simulering av solbelysning.

En viktig aspekt av denna process är kinetiken för reduktionen av U(VI). När man jämförde reaktionshastigheten för U(VI) reduktion på olika WS2-prover visades det att högre oxidation av WS2 (t.ex. WS2-O7.7) ökade hastigheten för U(VI) reduktion markant. Detta tyder på att de aktiva ytor som skapats genom oxidation och väteinsertion bidrar till att skapa effektivare och snabbare fotokatalytiska processer.

Förutom materialens sammansättning och struktur är det också viktigt att förstå hur fotokatalysens effektivitet kan optimeras genom att kontrollera de fysiska och kemiska förhållandena under reaktionen. Ljusintensitet, temperatur, och pH-nivåer spelar en avgörande roll för att materialets fotokatalytiska egenskaper ska kunna manifesteras på bästa sätt. Att noggrant finjustera dessa faktorer kan innebära stora förbättringar av reduktionshastigheten för U(VI) och öka effektiviteten i hela extraktionsprocessen.

Det är också viktigt att beakta den långsiktiga stabiliteten och hållbarheten hos dessa fotokatalytiska material. För att dessa metoder ska kunna användas på industriell nivå för uranextraktion, måste materialens fotokatalytiska aktivitet bibehållas över tid utan att deras struktur eller funktionalitet degraderas. Detta kräver noggrant val av material samt en förståelse för hur de reagerar vid långvarig exponering för olika miljöförhållanden, såsom olika koncentrationer av U(VI), pH-förändringar och andra kemiska faktorer som kan påverka deras ytstruktur och reaktionsbeteende.

Hur syrebrist i material kan förbättra effektiviteten vid elektrolytisk uranextraktion från havsvatten

Effektiviteten vid uranextraktion från havsvatten kan förbättras avsevärt genom att utnyttja material som är berikade med syrebrister, eller syre-vakanser, på ytan. Syrebrister fungerar som aktiva centra i materialet, där de kan fånga och överföra laddningar, vilket leder till att fler laddningar deltar i den elektrokatalytiska reduktionsprocessen av uranyljonerna. Denna metod har visat sig vara mycket effektiv, inte bara för att förbättra extraktionen av uran, utan också som en lovande strategi för att uppnå ett hållbart bränsleförsörjning för kärnkraft.

För att ytterligare förbättra effektiviteten och designen av dessa elektroder, utvecklades en teknik som involverar indiumoxid (In2O3)-nanoskikt, som också har berikats med syrebrister. In2O3 är ett halvledarmaterial, och när dess yta berikas med syrebrister, kan det effektivt utnyttja dessa brister för att driva den elektrokatalytiska processen och öka extraktionshastigheten. Vid experiment i simulerat havsvatten uppnådde Vo-rika In2O3-nanoskikt en uranextraktionseffektivitet på 88,3 % inom 700 sekunder, och i verkligt havsvatten visade samma material en effektivitet på 52,6 % efter 10 extraktions-desorptionscykler.

Det är också viktigt att undersöka de fysiska och kemiska förändringarna som sker i materialet under elektrolytisk extraktion. Genom användning av tekniker som transmissions- och högupplöst elektronstrålemikroskopi (TEM och HRTEM), röntgendiffraktion (XRD), och röntgenfotospektroskopi (XPS), kan man analysera materialets morfologi, kristallstruktur och elektroniska egenskaper. Detta hjälper till att förstå hur syrebristen påverkar materialets förmåga att extrahera uran och ge insikt i mekanismerna bakom den förbättrade elektrolytiska aktiviteten. För exempel, HRTEM-bilder visade att de Vo-rika In2O3-nanoskikten hade ett interplanaravstånd på 0,29 nm, vilket motsvarade {222}-facet på In2O3. Detta är en avgörande detalj, eftersom en sådan struktur gör det möjligt för materialet att adsorbera uranyljoner mer effektivt.

För att förstå mekanismerna bakom extraktionen undersöktes också XPS-data, där det framgick att Vo-rika In2O3-nanoskikt hade en högre andel syre-vakanser jämfört med Vo-fattiga varianter, vilket ytterligare förklarar deras överlägsna extraktionsegenskaper. Efter extraktionen visade XRD och XPS att det elektrolytiskt extraherade uranet var i form av UO2, vilket innebär att uran effektivt reduceras till en mer stabil form under processen.

Det är också viktigt att beakta de påverkande faktorerna från andra närvarande joner i havsvattnet. Studier har visat att Vo-rika In2O3-nanoskikt har god motståndskraft mot interferens från andra metalljoner som Ca2+, Pb2+, Fe3+ och Zn2+, vilket är avgörande för att bibehålla hög extraktionskapacitet även i komplexa miljöer som verkligt havsvatten. Resultaten visade att effektiviteten för uranextraktion förblev över 80 %, även vid närvaro av störande joner, vilket gör denna metod mycket lovande för framtida storskaliga tillämpningar.

För att förbättra den långsiktiga hållbarheten och effektiviteten för denna teknik är det också avgörande att optimera processer som desorption och återvinning av materialet. Därtill bör det utföras ytterligare forskning för att fördjupa förståelsen för hur olika joners påverkan på extraktionen kan minimeras och för att undersöka de långsiktiga effekterna av materialets stabilitet vid upprepade cykler av extraktion och desorption.

Hur elektrolysceller kan användas för att extrahera uran ur kärnavfallsvatten med hjälp av jonpar-siter

Uran är en viktig resurs inom kärnenergiindustrin, och med den kontinuerliga utvecklingen av denna industri förväntas de terrestra uranresurserna en dag vara uttömda. Detta leder till att stora mängder uranhaltigt avloppsvatten produceras, vilket utgör en betydande miljöutmaning. För att kunna säkerställa en fortsatt tillgång på uran är effektiv extraktion från kärnavfallsvatten en avgörande metod för att återvinna uranresurser. Denna typ av avloppsvatten genereras i flera processer under kärnbränsleproduktionen, som uranenrikning och tillverkning av kärnbränsleelement. I dessa processer används uranföreningar som fluorider, vilket leder till att uran i det producerade avloppsvattnet vanligtvis existerar som uranylionet (UO2+2), samtidigt som fluoridjoner (F−) är närvarande i hög koncentration.

När uran fluorider hydrolyseras bildas uranylionet UO2+2, men fluoridjoner är också närvarande, vilket gör att uran och fluorid samverkar för att bilda komplexa föreningar som UO2Fx. Denna samverkan försämrar effektiviteten vid uranextraktion, eftersom fluoridjonerna konkurrerar om koordinationssidor med uranylionerna. Traditionella metoder för uranextraktion, såsom adsorption och jonbytesstrategier, innebär bildandet av CaF2 som en radioaktiv fast restprodukt, vilket är problematiskt ur både miljö- och hanteringsperspektiv.

I den här metoden utnyttjas Ti3C2 material som har modifierats genom att man etsade bort Al-lager från kommersiellt Ti3AlC2 för att skapa ett stabelerade -F-grupper. Därefter utfördes en sonikationsprocess i en vattenlösning, vilket resulterade i exfoliering av Ti3C2 nanosheets och byte av -F-grupper mot -OH-grupper på ytan. Denna process bildade Ti(OH)PO4, vilket resulterade i skapandet av jonpar-siter bestående av Tiδ+ och PO4−3. Dessa siter möjliggör selektiv bindning av UO2Fx och har visat sig effektivt stödja elektrolyse av uran, vilket leder till en hög extraktionseffektivitet även i verkliga kärnavloppsvattenmiljöer. Experiment har visat att denna metod kan extrahera upp till 99,6% av uranet inom sju timmar.

En annan viktig aspekt av denna elektrolytiska process är den rekombinerade strukturens interlagringsavstånd i Ti(OH)PO4-nanorods, som mäter 0,73 nm, vilket är större än för både UO2+2 och UO2Fx. Detta större avstånd underlättar interkaleringen av UO2+2 och exponerar effektivt extraktionssiterna. Tekniken är inte bara lovande för uranextraktion utan erbjuder också potential för att återvinna uran från avloppsvatten med en renhet som gör att det kan återanvändas i industrin.