Hur förändras egenskaperna hos MoSx/RGO-kompositer vid olika syntes-temperaturer och hur påverkar detta extraktionen av uran?

Vid uppvärmning till högre temperaturer sker en övergång från MoS2 till MoS1, vilket indikerar att högre temperaturer favoriserar bildningen av en mer stabil MoS2-kristallin fas. Detta förstärker den strukturella stabiliteten hos MoSx/RGO-kompositerna. FTIR-analyser visar att de hybrida nanosheets av MoSx/RGO behåller en betydande mängd syrehaltiga funktionella grupper (-OH och -COOH) från RGO, vilket ger ett rikt utbud av adsorptionssidor för fångst av U(VI). Denna funktion är grundläggande för att optimera effektiviteten hos materialet när det används för uranextraktion, då dessa grupper bidrar till materialets förmåga att adsorbera U(VI) vid olika förhållanden.

Vidare användes XPS för att ytterligare förstå de kemiska sammansättningarna och den elektroniska strukturen hos MoSx/RGO-hybridnanosheets. Mo 3d-spektret avdekomponerades i fyra toppar där två av dessa, vid 232,6 och 229,5 eV, kan tillskrivas Mo(IV), medan de andra två vid 235,9 och 233,8 eV är förknippade med Mo(VI). En intressant observation är att med ökande syntes-temperatur minskar topparna associerade med Mo(VI) successivt och omvandlas helt till Mo(IV), vilket är förenligt med den observerade fasövergången från MoS1 till MoS2.

Sulfurtillståndet i MoSx/RGO materialet visualiserades genom S 2p XPS-spektroskopi, där karakteristiska toppar vid 162,8 och 163,6 eV observerades för S 2p1/2 och S 2p3/2. Elementkartläggning genom energi-dispersiv spektroskopi (EDS) visade att C, N, O, S och Mo är jämnt fördelade över ytan på MoS1.77/RGO-materialet, vilket bekräftar en enhetlig deposition av MoS1.77-nanosheets på RGO. Denna jämna fördelning är avgörande för att säkerställa effektiv adsorption och katalytisk aktivitet i MoSx/RGO-kompositen.

För att undersöka effekten av syntes-temperatur på skapandet av svavelvakans i MoSx/RGO-hybridnanosheets, genomfördes en EPR-analys. Resultaten visade att MoS1.92/RGO, som syntetiserats vid 170 °C, visade en relativt svag EPR-signal vid g=2.003, vilket tyder på ett lägre innehåll av svavelvakans. När syntes-temperaturen ökade intensifierades EPR-signalen avsevärt, vilket tyder på att svavelvakanskoncentrationen effektivt kan kontrolleras genom att justera syntes-temperaturen.

Vidare analyserades MoSx:nas halvledaregenskaper genom Mott-Schottky-plottar, vilket visade en positiv lutning och därmed bekräftade att MoSx har n-typ halvledaregenskaper. Genom att beräkna den plana bandpotentialen (Efb) visade det sig att MoSx har ett negativt värde på −0.38, −0.28 och −0.16V kontra RHE för de olika materialen. En ytterligare undersökning av de elektronstrukturdata, inklusive sekundära elektronuttal och valensbandsnivåer från UPS-spektroskopi, visade att de förväntade energiövergångarna för MoSx ligger på rätt potentialnivåer för att reducera U(VI) till U(IV), vilket innebär att MoSx/RGO-kompositen har stor potential för att minska uran från lösningen.

En särskilt viktig observation är den "vulkanformade" sambandet mellan svavelvakanskoncentrationen och extraktionskapaciteten. MoS1.77/RGO, med en medelhög koncentration av svavelvakans, visade den högsta extraktionshastigheten för U(VI), upp till 91,6 %. Detta bekräftar att rätt energi-bandsjustering är avgörande för att maximera effektiviteten i fotokatalytisk uranextraktion.

Hur plasmoniska metaller förbättrar uranextraktion: En effektiv fotokatalytisk metod för U(VI)-berikning

Användningen av plasmoniska metaller i fotokatalys har visat sig vara en lovande metod för att effektivt extrahera och berika U(VI) från lösningar. En av de mest framstående materialen i denna kategori är CCNCI/ZnO, som under specifika förhållanden uppvisar exceptionell prestanda. Vid en initial koncentration på 200 ppm av U(VI) uppnådde CCNCI/ZnO en berikningsgrad på 98 % efter endast 60 minuter. I jämförelse uppnådde Au/ZnO en borttagningsgrad på 73,4 % och Ag/ZnO 81,2 %, vilket visade att porösa ZnO-material förstärkta med plasmoniska metaller är mycket effektiva fotokatalysatorer för U(VI)-berikning.

En av de största fördelarna med att använda plasmoniska metaller, som guld (Au) och silver (Ag), är deras förmåga att förbättra materialens optiska och elektroniska egenskaper. Trots de höga kostnaderna för ädelmetaller som Au och Ag, visade integrationen av kopparbaserade plasmoniska metaller, som Cu, ett exceptionellt löfte för att erbjuda en mer kostnadseffektiv och praktisk lösning för verkliga tillämpningar. Detta innebär att Cu/ZnO och CCNCI/ZnO har potential att vara mer hållbara och ekonomiska alternativ i miljöer där uranextraktion är nödvändig.

Testerna visade också att CCNCI/ZnO visade enremarkabel förmåga att avlägsna U(VI) från lösningar, även när koncentrationen varierade från 10 till 800 ppm. Under dessa förhållanden uppnådde CCNCI/ZnO en enhetlig U(VI)-berikning, utan tecken på mättnad, och nådde en kapacitet på upp till 2405,3 mg/g vid 800 ppm. Detta innebär att CCNCI/ZnO inte bara är effektivt under kontrollerade laboratorieförhållanden, utan också mycket effektivt i mer komplexa och varierande miljöer där pH-nivåer och andra joner kan påverka resultaten.

CCNCI/ZnO:s förmåga att hantera komplexa miljöförhållanden understryks ytterligare av dess motståndskraft mot samtidig förekomst av andra joner, som alkalijordmetaller, övergångsmetaller och sällsynta jordartsmetaller. Detta gör materialet särskilt användbart i praktiska tillämpningar, där sådana joner ofta förekommer i de lösningar som används vid uranextraktion.

Stabiliteten och återanvändbarheten hos CCNCI/ZnO under långvarig användning var en annan viktig aspekt i våra tester. Efter upprepade cykler av fotoreduktion av U(VI) visade CCNCI/ZnO en exceptionell stabilitet och bibehöll mer än 93 % av sin ursprungliga adsorptionskapacitet, vilket indikerar att materialet har en lång livslängd och kan användas flera gånger utan att förlora sin effektivitet.

En djupare undersökning av de optiska och elektroniska egenskaperna hos CCNCI/ZnO gav ytterligare insikter i varför materialet presterar så bra. Den diffusa reflekterande UV-Vis spektran visade att P-ZnO, i jämförelse med Cu/ZnO och CCNCI/ZnO, främst absorberade ljus inom UV-området. I motsats till detta visade Cu/ZnO och CCNCI/ZnO en markant topp vid cirka 560 nm, vilket kan kopplas till plasmonisk absorption från Cu och Cu80Co5Ni5Cd5In5 nanokristaller. Detta pekar på närvaron av ytplasmonresonans i dessa material, vilket ytterligare bidrar till deras effektivitet som fotokatalysatorer.

De elektroniska egenskaperna hos CCNCI/ZnO, såsom den högre arbetsfunktionen och den distinkta valensbandspositionen, spelar också en avgörande roll i att förbättra fotokatalytisk aktivitet. När Cu80Co5Ni5Cd5In5 nanokristaller kommer i kontakt med ZnO, bildas en Schottky-barriär som underlättar överföringen av elektroner från de plasmoniska nanokristallerna till ZnO:s ledningsband. Denna effektiva elektronöverföring främjar separeringen av elektroner och hål, vilket är grundläggande för att förbättra U(VI)-reduktionen och extraktionen.

Hur elektrokemisk uranreduktion fungerar och vilka material är avgörande för effektiv extraktion

Elektrokemisk uranreduktion är en lovande metod för att extrahera uran från olika lösningar, särskilt från havsvatten och förorenat vatten. Denna process bygger på elektrokemiska reaktioner där elektricitet används för att reducera uran till metalliskt uran, vilket möjliggör dess separering och extraktion utan att behöva stora mängder farliga kemikalier, såsom organiska lösningsmedel som används i traditionella extraktionsmetoder. Genom att använda elektrokatalytiska processer kan man drastiskt minska miljöpåverkan och förbättra selektiviteten, vilket gör att uran effektivt kan separeras från andra ämnen i vattnet.

En av de främsta fördelarna med elektrokemisk uranextraktion är dess förmåga att genomföras under mildare betingelser. Till skillnad från traditionella metoder, som ofta kräver höga temperaturer och tryck, sker elektrokemiska reaktioner vid lägre energiförbrukning, vilket innebär att processen är mer energieffektiv. Denna lägre energianvändning gör elektrokatalytisk uranextraktion inte bara mer miljövänlig utan även ekonomiskt fördelaktig.

För att uppnå hög effektivitet i elektrokemisk uranreduktion är valet av elektrodmaterial avgörande. Material som MoS2 (molybdendisulfid) och borfosfid-nanosheets har visat sig vara särskilt bra på att adsorbera uran på grund av sina unika ytegenskaper och strukturer. Dessa material har en hög affinitet för uran, vilket underlättar dess effektivare upptag. Även ytegenskaper som vätbarhet och hydrofilicitet är viktiga för att optimera elektroden. Genom att modifiera elektroden med polysackarider som xantangummi, kitosan eller polyvinylalkohol kan elektroden få bättre förmåga att attrahera och behålla vattenmolekyler, vilket i sin tur förbättrar uranadsorptionen.

Ytmodifiering är en annan strategi för att förbättra effektiviteten i uranreduktionen. Genom att skapa fler adsorptions- och bindningssidor på elektroden kan man öka kapaciteten och selektiviteten för uran. Detta kan göras genom kemisk etsning eller genom att applicera funktionella grupper på ytan, exempelvis amidoximgrupper, som specifikt binder till uran. Nitrogen-dopade kolmaterial har också visat sig förbättra elektronöverföring och uranadsorption, där nitrogenets ökade elektronegativitet skapar bindningssidor för uran.

De elektrokemiska förhållandena, såsom lösningens pH, spelar också en viktig roll i uranreduktionen. Specifik pH-kontroll kan optimera uranspeciering och interaktionen mellan uran och elektroden, vilket i sin tur leder till högre adsorptionskapacitet. Vidare påverkar den applicerade spänningen och strömtätheten elektroreaktionerna vid elektroden, vilket kan påverka både hastigheten och effektiviteten i uranreduktionen. Det är därför viktigt att optimera dessa parametrar för att uppnå bästa möjliga resultat.

För att ytterligare förbättra den elektrokatalytiska prestandan kan man använda olika tekniker såsom kant-sidkonfinering, där specifika aktiva sidor på materialets yta kan förstärkas för att förbättra både selektivitet och kapacitet för uranreduktion. Andra metoder som kan användas är fasberoende effekter, heterojunktionstekniker och hydroxylfunktionalisering på ytan, vilka alla bidrar till att optimera elektroden för uranextraktion.

I framtiden kommer fortsatt forskning att vara avgörande för att förstå de mekanismer som ligger bakom elektrochemisk uranreduktion och för att utveckla mer effektiva, miljövänliga och ekonomiskt gångbara teknologier för uranextraktion. För att uppnå bästa möjliga resultat kommer forskningen att fokusera på att förbättra material, optimera elektrolyt- och processförhållanden, samt på att utveckla innovativa strategier för att effektivisera hela processen.

Hur kan elektrokatalytisk reduktion förbättra extraktionen av uran från havsvatten?

Uranutvinning från havsvatten genom elektrokemiska metoder har visat sig vara en lovande strategi för att möta den globala efterfrågan på detta sällsynta material. Uran är avgörande för produktionen av kärnbränsle, och eftersom världens uranresurser är begränsade, har forskare undersökt alternativa källor, såsom havsvatten. Den elektrokemiska metoden för uranextraktion från havsvatten bygger på att använda elektriska fält för att reducera uranjoner till fast uran som kan binda till ett material och därmed extraheras. En av de senaste framstegen inom detta område involverar användningen av molybden disulfid (MoS2), särskilt med svavelterminerade kantdefekter (S-terminerade MoS2), som har visat sig vara mycket effektiva för att öka uranextraktionskapaciteten.

Elektrokatalytisk uranreduktion bygger på användningen av elektroder som skapar en negativ spänning, vilket motverkar de elektrostatiska repulsionerna mellan de laddade uranjonerna och de aktiva siten på elektroden. Denna teknik har visat sig öka både hastigheten och kapaciteten för uranextraktion. För att uppnå effektiv extraktion från havsvatten är det avgörande att utveckla elektrodmaterial som har specifika aktiva sites som binder uran effektivt vid lägre spänningar.

Mikroskopiska analyser, inklusive transmissionselektronmikroskopi (TEM) och högupplöst scanningstermisk mikroskopi (HAADF-STEM), avslöjade att uran samlades vid svavelkanterna på MoS2, vilket tydligt pekade på en effektiv bindning av uran till dessa specifika platser. Det var även tydligt att svavelkanterna förlorade sin skärpa under mikroskopisk analys, vilket kan bero på migrationen av svavelatomer under elektronstrålen. Dessa fynd stöds av Röntgendiffraktions (XRD) och Raman-spektroskopiresultat, som visade att materialets struktur förblev stabil även efter modifiering med svavel.

För att förstå denna process ytterligare genomfördes tester i havsvatten med höga uranhalter (upp till 100 ppm). S-terminerade MoS2 nanosheets visade en mycket högre extraktionshastighet och effektivitet jämfört med vanlig MoS2. Efter nio timmar av extraktion i havsvatten med 20 ppm uran, uppnåddes en extraktionseffektivitet på 80 %, och efter 18 timmar var effektiviteten nära 100 %. Till skillnad från detta mättes MoS2:s kapacitet för uranextraktion under en längre tidsperiod och visade på en mättnadseffekt, vilket pekar på att S-terminerad MoS2 har överlägsna långsiktiga extraktionskapaciteter.

Den elektrokemiska extraktionen av uran från havsvatten med dessa material sker i ett tvåelektrodssystem där MoS2 eller S-terminerat MoS2 fungerar som katod och grafitstänger som anod. Förutom de positiva resultaten för hög koncentration av uran, visade experiment att S-terminerade MoS2 också fungerade bra i närvaro av störande joner i havsvatten. Det var också en överraskande god långsiktig stabilitet för S-terminerade MoS2, där effektiviteten vid upprepad extraktion endast minskade från 91,5 % till 78,7 % efter nio cykler.

Det är också viktigt att notera den energimängd som krävs för att genomföra extraktionen. I de experiment som genomfördes för att extrahera uran från verkligt havsvatten visade det sig att endast en liten mängd energi, 8,7 mW⋅h, var nödvändig för att extrahera 29,5 μg uran. Detta gör den elektrokemiska metoden inte bara effektiv i termer av uranextraktion, utan också energimässigt kostnadseffektiv.

Den elektrokatalytiska reduktionen av uran från havsvatten genom användning av svavelterminerade MoS2 nanosheets representerar en mycket lovande metod för att lösa problem relaterade till uranextraktion på lång sikt. Teknikens effektivitet, snabbhet, och låga energiförbrukning gör den till ett potentiellt alternativ till nuvarande metoder för uranutvinning, och kan ha stor betydelse för framtida tillgångar till uran från havsvatten.

Hur CoOx-nanosheets kan effektivt extrahera uran från fluorinnehållande avloppsvatten

Forskningen har visat på en anmärkningsvärd förmåga hos CoOx (koboltoxid) att effektivt ta bort uran från fluorinnehållande avloppsvatten, med en extraktionskapacitet på hela 96 % för U(VI) i närvaro av fluoridjoner. Denna process använder en elektrodriven mekanism som gör det möjligt att separera uran från fluorid, vilket öppnar dörrar till nya metoder för att hantera uranföroreningar och effektivisera uranextraktionstekniker. En detaljerad analys av CoOx-nanosheetens struktur och elektroniska egenskaper har avslöjat att hydroxylgrupper på ytan spelar en avgörande roll för att förbättra materialets förmåga att fånga uranyljoner.

Genom användning av röntgenabsorptionsspektroskopi (XAS) har forskarna verifierat att CoOx fångar de dissocierade uranylrionerna och bildar en stabil 2Oax-1U-3Oeq-konfiguration. Detta innebär att CoOx fungerar som en effektiv elektrokatalysator för att extrahera uran från fluorinnehållande avloppsvatten, samtidigt som den möjliggör en elektrodriven separation mellan fluorid och uran. En sådan metod erbjuder både kostnadseffektivitet och potential för att förbättra uranextraktion på industriell nivå.

För att producera CoOx-nanosheets använde forskarna en enkel syntesmetod där Co(NO3)3∙6H2O fungerade som prekursor och NaBH4 användes som reduktionsmedel. I närvaro av hexadecyltrimetylammoniumbromid (CTAB) erhölls hydroxylrika CoOx-nanosheets som genomgick en ångprocess vid 350°C för att producera kontrollprovet A-CoOx, som saknade hydroxylgrupper. Analyser som TEM (Transmission Electron Microscopy) och AFM (Atomic Force Microscopy) visade att CoOx-nanosheets hade en veckad struktur och en ultratunn tjocklek, medan A-CoOx visade sig vara fragmenterade.

Genom röntgendiffraktionsspektroskopi (XRD) och FTIR (Fourier-transform infraröd spektroskopi) analyserades faserna och de funktionella grupperna på CoOx och A-CoOx. CoOx visade en amorf struktur medan A-CoOx hade typiska diffraktionstoppar som indikerade närvaron av Co3O4, vilket bekräftade att högtemperaturbehandling effektivt avlägsnade hydroxylgrupper. TGA (thermogravimetric analysis) bekräftade att CoOx innehåller fler hydroxylgrupper än A-CoOx, vilket förbättrar dess förmåga att interagera med uranyljoner.

XPS-analys visade också på skillnader mellan CoOx och A-CoOx när det gäller deras elektroniska struktur. I synnerhet innehåller CoOx mer OH− än A-CoOx, vilket är avgörande för materialets förmåga att binda uran. Fluoridjoner tenderar att bilda komplex med uranyljoner, och dessa komplex påverkar de efterföljande stegen av uranextraktion. Forskarna undersökte därför hur olika pH-värden påverkade uranextraktionen. Vid pH-värden mellan 4 och 6 var uranextraktionen mycket effektiv, medan den minskade något vid högre pH-värden, då uran och fluorid bildar negativa komplex med högre reduktionspotential.

En ytterligare intressant aspekt av denna forskning är hur CoOx reagerar i närvaro av olika koncentrationer av uran och fluorid. Vid varierande fluorid-uranförhållanden visade CoOx en stabil och hög extraktionskapacitet, även vid mycket låga fluorid-uran-ratioer, vilket indikerar att CoOx är mycket robust och effektivt under realistiska förhållanden.

Detta arbete är ett viktigt steg mot att utveckla kostnadseffektiva och hållbara metoder för uranextraktion från förorenade vattenkällor, särskilt de som innehåller fluorid. CoOx-nanosheets erbjuder en mycket effektiv lösning för att hantera uranföroreningar, och de presenterade metoderna kan potentiellt anpassas för industriella applikationer där hantering av radioaktiva och giftiga ämnen är en central fråga.