Hur nZVI@KGMC-materialet effektivt kan extrahera och reducera uran från radioaktivt avloppsvatten

Fe L-edge XAS-spektra gav ytterligare validering av att Fe0-piken i nZVI@KGMC vid 708,0 eV försvann efter reaktionen, vilket stämde överens med XPS-resultaten. Dessutom kan de karakteristiska topparna för uran tydligt observeras i XPS-spektra efter reaktionen, vilket indikerar tetravalent uran vid 380,7 och 391,6 eV, samt hexavalent uran vid 381,7 eV och 380,7 eV, vilket stämmer med de positionsvärden som rapporterats i litteraturen. Teoretiska simuleringar genomfördes för att beräkna den elektrostatisk potentialen (ESP) på ytan av molekyler, och ytpotentialdistributionerna för KGMC och nZVI@KGMC studerades. Strukturella modeller och ESP-bilder visade att de negativa laddningarna på ytan var koncentrerade kring syrehaltiga funktionella grupper, vilket ledde till spekulationen att elektrostatisk interaktion är huvudsaklig drivkraft för urans anrikning. När KGMC:s yta laddades med Fe0-kluster, observerades ingen signifikant förändring i distributionen av negativa laddningar, medan positiva laddningar koncentrerades på Fe0-klustren. Detta resultat stärker teorin att Fe0-klustren underlättar elektronöverföring och reducerar U(VI) som adsorberats på KGMC till U(IV).

Enligt resultaten var den synergistiska effekten av KGMC och nZVI avgörande för effektiv adsorption-reduktion av uran och nedbrytning av organiska ämnen. För att förstå detta, är det viktigt att känna till flera mekanismer som samverkar för att uppnå detta resultat. Uranet adsorberas först via elektrostatisk attraktion till de negativa laddningarna på KGMC:s yta. Därefter reduceras det adsorberade U(VI) till U(IV) av de nZVI-partiklar som är inbäddade i materialet, samtidigt som järnjoner i Fe2+-form katalyserar processen. När det gäller den nedbrytning av organiska ämnen som sker parallellt, producerar nZVI@KGMC hydroxylradikaler som angriper organiska föroreningar och omvandlar dem till ofarliga föreningar som CO2 och H2O.

nZVI@KGMC-materialet har visat sig vara mycket effektivt för att extrahera uran från radioaktivt avloppsvatten, med en anrikningsgrad på upp till 90,1% och en kapacitet på 720,8 mg/g på bara 60 minuter. Även när störande joner och organiska ämnen närvarar, upprätthåller materialet en hög effektivitet för anrikning av U(VI). Detta bekräftar att materialet har starka specifika katalytiska egenskaper och stabilitet, vilket gör det möjligt att uppnå nära laboratorienivå-prestanda även i komplexa verkliga miljöer.

Det är också viktigt att förstå att materialets stabilitet och dispergerbarhet är centrala för dess långsiktiga användning i fält. I denna studie utvecklades ett material som inte bara är effektivt för uranavlägsning från vatten, utan också för nedbrytning av organiska föroreningar, vilket gör det till en lovande lösning för sanering av radioaktivt avloppsvatten. Genom att kombinera de specifika egenskaperna hos nZVI och KGMC kan denna teknologi erbjuda en ekonomisk och effektiv metod för att hantera radioaktiva föroreningar och samtidigt ta itu med organiska föroreningar på ett hållbart sätt.

Hur kan TiO2(M)@RGO aerogel förbättra extraktionen av U(VI) och effektivisera återvinning?

Materialet har studerats noggrant genom olika tekniker som röntgendiffraktion (XRD), Fourier-transform infraröd spektroskopi (FTIR), röntgenfotospektroskopi (XPS) och elektronparametrispektroskopi (ESR). XRD-analyser visar att TiO2(M)@RGO aerogel uppvisar karakteristiska diffraktionstoppar för anatastitanoxid (TiO2), vilket bekräftar att denna form av TiO2 är välkristalliserad och stabil inom materialets struktur. FTIR-spektroskopi har visat att de funktionella grupperna som –OH och –C=O fortfarande finns kvar på RGO (reducerat grafenoxid), vilket tyder på att den hydrotermiska behandlingen inte har förstört GO:s struktur. Dessa funktionella grupper är viktiga för att säkerställa stabiliteten hos materialet samt för att ge ett rikt antal adsorptionssidor som underlättar extraktionen av U(VI).

XPS-analyser ger ytterligare insikter i materialets ytatomi och elektronstruktur. De specifika signalerna för kol, syre och titanelement indikerar att materialet har genomgått en effektiv modifiering som gör det mer reaktivt och kapabelt att adsorbera och reducera U(VI) från lösningen. Ökningen av syre-vakanser (OV) i TiO2(M), som bekräftas av ESR, bidrar ytterligare till materialets fotokatalytiska aktivitet, då dessa OV fungerar som aktiva platser för elektronöverföring, vilket effektivt förbättrar reduktionen av uran.

En annan viktig aspekt är materialets fotokatalytiska aktivitet under både mörka och belysta förhållanden. Under mörka förhållanden uppvisar TiO2(M)@RGO aerogel en avsevärt högre effektivitet för att ta bort U(VI) än både kommersiellt TiO2 och TiO2(M). Detta beror på de syrehaltiga grupperna på RGO, som fungerar som aktiva adsorptionssidor. Under belysning, där fotokatalysens effekter blir mer framträdande, visade TiO2(M)@RGO aerogel en exceptionellt hög reduktionseffektivitet av U(VI), med en borttagningseffektivitet på 95,7% efter 60 minuters belysning, vilket är avsevärt högre än de andra materialen.

Vid experiment med varierande U(VI)-koncentrationer visade TiO2(M)@RGO aerogel en imponerande adsorptionskapacitet, särskilt vid högre koncentrationer, som 200 ppm. Detta innebär att materialet kan användas för att effektivt extrahera uran även vid förorenade nivåer. Dessutom visade materialet stor motståndskraft mot interferens från vanliga metalljoner i avloppsvatten, vilket ofta är ett problem i praktiska tillämpningar. Undantaget var järn(III), som konkurrerade om de fotogenererade elektronerna och minskade materialets effektivitet något.

För att ytterligare förstå de potentiella fördelarna med TiO2(M)@RGO aerogel, är det viktigt att inte bara fokusera på dess kemiska och strukturella egenskaper utan också på hur dessa faktorer samverkar för att optimera materialets prestanda. Det handlar inte bara om att ha ett effektivt fotokatalytiskt material, utan också om att skapa en stabil och hållbar plattform för kontinuerlig användning i miljöer där uran och andra tungmetaller förekommer.

Hur B-TiO2@Co2P-500 Förbättrar Uranutvinning genom Fotokatalys

B-TiO2@Co2P-500 är en innovativ materialkombination som har visat sig vara exceptionellt effektiv i processen att ta bort uran från vatten genom fotokatalys. Enligt de experimentella resultaten uppnådde B-TiO2@Co2P-500 en uranborttagningskapacitet som var 4,5 gånger högre än de ursprungliga B-TiO2-nanoskikten, vilket bekräftar betydelsen av M—O—H metallbindningar för att fånga uranyljoner (U(VI)). När materialet utsattes för simulerat solljus visade det en avsevärt förbättrad uranborttagningskapacitet. I synnerhet uppnåddes en borttagningsgrad på 98 % under 90 minuter, vilket markerade ett tydligt överlägset resultat jämfört med de vanliga B-TiO2 (21 % på 120 minuter) och Co2P (73 % på 120 minuter).

En viktig aspekt av denna process är den fotokatalytiska reduktionen av U(VI), där B-TiO2@Co2P-500 agerar som en effektiv katalysator genom att nyttja heterojunktionens gränssnitt för att påskynda överföringen av elektroner. Det är dessa elektroner, tillsammans med aktiva M—O—H-bindningar, som är avgörande för att uran ska adsorberas och reduceras effektivt. Vidare analyser avslöjade att B-TiO2@Co2P-500 visade god stabilitet i vattenlösningar med varierande pH och förmåga att motstå störande påverkan från andra metallkatjoner som K+, Na+, Ca2+, och Mg2+.

För att förstå den bakomliggande mekanismen för fotokatalys vid användning av B-TiO2@Co2P-500, visade de beräknade DFT-värdena (Density Functional Theory) på en laddningsomfördelning vid heterojunktionsgränssnittet mellan TiO2 och Co2P, vilket skapar ett inre elektriskt fält som underlättar migrationen av laddade partiklar. Denna migration sker genom en S-typ elektronöverföringsväg som inte bara separerar fotogenererade elektroner och hål, utan också maximerar redoxkapaciteten.

Vidare bidrog fotokatalytiska reduktionsreaktioner med aktiva arter som superoxid- och hydroxylradikaler (∙O−2 och ∙OH−) till bildandet av uranylhydroxid ((UO2)O2∙2H2O). Dessa aktiva arter, tillsammans med den unika strukturen hos B-TiO2@Co2P-500, gör materialet till en mycket effektiv lösning för att hantera och rena vatten från uran.

För att optimera användningen av B-TiO2@Co2P-500 är det dock avgörande att förstå att reaktionsbetingelser som temperatur, ljusintensitet och initial uran koncentration kan påverka effektiviteten. Dessutom är det möjligt att denna teknik kan utvidgas till att hantera andra tunga metaller eller föroreningar i vatten, vilket gör det till ett lovande verktyg för framtida miljöteknik.

Hur fungerar MnOx/NH2-UiO-66 som en effektiv fotokatalysator för uranreduktion?

MnOx/NH2-UiO-66 har visat sig vara en mycket effektiv fotokatalysator för reduktion och extraktion av uran, särskilt i komplexa miljöer där andra metoder för uranavlägsnande är mindre effektiva. Genom att kombinera den porösa strukturen hos UiO-66 med funktionella grupper såsom amino (-NH2) och nanostrukturerade metaller som manganoxid (MnOx), har man utvecklat ett material som inte bara adsorberar uran utan också främjar dess fotoreduktion, vilket leder till en markant ökning av uranborttagningseffektiviteten.

Vid användning av denna fotokatalysator är det viktigt att förstå att olika aktiva arter, såsom superoxidradikaler (-O2−) och hydroxylradikaler (-OH), spelar en avgörande roll i processen. Genom att använda olika skavanger (t.ex. para-benzoquinon, tert-butanol, metanol) för att selektivt släcka dessa radikaler har man visat att -O2− radikaler är särskilt viktiga för reduktionen av U(VI). EPR-spektroskopi har också bekräftat att MnOx/NH2-UiO-66 genererar de starkaste signalerna för både superoxid- och hydroxylradikaler, vilket tyder på att MnOx-nanopartiklar förbättrar den fotokatalytiska aktiviteten genom att främja separationen av elektroner och hål, vilket är avgörande för uranreduktionen.

Förutom dessa tekniska aspekter är det också relevant att beakta hur materialets struktur och egenskaper påverkar dess långsiktiga stabilitet och effektivitet i olika miljöer. Ett viktigt resultat är att MnOx/NH2-UiO-66 behåller sina fotokatalytiska egenskaper under olika förhållanden, såsom vid olika pH-värden, olika koncentrationer av uran och när andra katjoner är närvarande. Detta gör det till ett mycket lovande material för praktiska tillämpningar i avlägsnande av uran från förorenade lösningar.

En annan relevant aspekt av denna teknik är dess potential för att tillämpas på olika typer av radioaktivt avfall och industrier där uran är en vanlig förorening. Den fotokatalytiska reduktionen av uran i fluoridhaltiga lösningar, såsom de som uppstår i kärnkraftindustrin, utgör en särskilt utmaning. Fluoridjoner kan forma komplex med uranyljoner, vilket gör det svårare att effektivt extrahera uranet. Det är därför av stor betydelse att utveckla material som inte bara kan reducera U(VI) till U(IV), utan också kan hantera dessa komplex och separera dem effektivt.

Sammanfattningsvis erbjuder MnOx/NH2-UiO-66 ett effektivt och hållbart alternativ för uranreduktion i vatten, och dess höga borttagningseffektivitet och stabilitet gör det till en intressant kandidat för tillämpningar inom både miljövård och kärnteknik. Det öppnar dörren för mer avancerade metoder för rening och avlägsnande av uran från olika typer av förorenade lösningar och bidrar till en mer hållbar hantering av radioaktivt avfall.

Hur kan B:Cu-PO4-nanomaterialer förbättra uranextraktion från havsvatten genom elektrokatalytisk reduktion?

För att ytterligare klargöra den elektroniska strukturen hos materialen analyserades Auger-elektronspektroskopi (AES) och XANES (X-ray absorption near edge structure) för att förstå detaljerna i elektrondistributionen hos B:Cu-PO4-nanomaterialen. AES-resultaten visade att alla tre prover hade huvudsakliga toppar vid 916,1 eV i Cu-Augers elektronregion, vilket indikerade ytoxidation. Dock uppvisade B:Cu-PO4 och B:Cu mer framträdande toppar vid 918,2 eV än Cu-PO4, vilket tyder på att andelen Cu0 på ytan ökade efter införandet av B. Detta var i linje med tidigare HRTEM-resultat som visade på förändringar i ytkemi efter borinförandet.

För att utvärdera den elektrokemiska prestandan och effektiviteten vid uranextraktion, genomfördes tester på B:Cu, Cu-PO4 och B:Cu-PO4 nanomaterialens förmåga att extrahera uran under simulerade förhållanden. Resultaten visade att B:Cu-PO4 nanopartiklar uppnådde en uranextraktionseffektivitet på 95,8 % inom 400 minuter, vilket var det högsta bland de testade materialerna. Dessutom visade sig B:Cu-PO4-nanomaterialen ha utmärkt cyklisk stabilitet, där effektiviteten förblev över 85 % även efter fyra extraktionscykler, vilket indikerade god långsiktig hållbarhet. I realtidsförhållanden, i simulerat havsvatten, var uranextraktionen fortfarande över 80 % efter nio timmar.

I en uppföljande testserie undersöktes B:Cu-PO4-nanomaterialens motståndskraft mot interfererande joner som K+, V5+, Fe2+, Ni2+, Mn2+ och Pb2+. I närvaro av dessa störande joner var uranextraktionseffektiviteten fortfarande över 88 %, vilket bekräftade materialets robusthet och förmåga att bibehålla hög effektivitet under varierande förhållanden. Även i verkligt havsvatten var extraktionseffektiviteten för B:Cu-PO4-nanomaterialen imponerande, med en effektivitet på 84 % efter nio timmar.

För att förstå mekanismen bakom uranextraktionen genom B:Cu-PO4-nanomaterialen, undersöktes produkternas morfologi och elementfördelning efter extraktionen genom TEM. TEM-bilder visade att de reducerade uranpartiklarna var jämnt fästa vid ytan på B:Cu-PO4-nanomaterialen. HRTEM-bilder visade att gitteravståndet för Cu och UO2.34 var 0,27 nm och 0,16 nm respektive, vilket indikerade att uranet hade deponerats på nanomaterialens yta. EDS-mapping visade en enhetlig fördelning av Cu, B, U och P, vilket bekräftade att uranet hade adsorberats på B:Cu-PO4-nanomaterialens yta.

Vidare visade DFT (Density Functional Theory)-beräkningar på att införandet av bor i B:Cu-PO4 nanomaterialen förbättrade stabiliteten hos adsorberat PO4 och förbättrade materialens interaktion med uranyljoner. Adsorptionsenergin för PO4 på B:Cu-nanomaterial var mer negativ (-7,23 eV) än på Cu-nanomaterial, vilket indikerade att B:Cu-nanomaterialen hade bättre yttre stabilitet. Adsorptionsenergin för uranyl på B:Cu-PO4 var -4,97 eV, vilket var mer negativt än för Cu-PO4, och pekade på en förbättrad förmåga att binda uran.

Sammanfattningsvis, genom att använda B:Cu-PO4 nanomaterial som elektrodmaterial i elektrokatalytisk uranextraktion, har man lyckats utveckla en lovande metod för effektiv uranextraktion från havsvatten. Materialen visade både hög extraktionseffektivitet och stabilitet under långvarig användning, vilket gör dem till ett framstående alternativ för framtida tillämpningar inom miljövänlig uranextraktion.