三维BCN@C的仿生构筑、能级调控及其对铀的光催化还原机制
批准号:
22106126
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
陈涛
依托单位:
学科分类:
环境化学
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
陈涛
中文摘要
放射性废水中铀的吸附和光催化还原是放射化学领域最受关注的前沿问题之一。本项目以含有机物放射性废水中的铀为研究对象,针对放射性废水处理过程中面临的可溶性有机物会与铀发生络合而增加处理难度、光催化剂上有限的活性位点容易被铀的还原产物占据和粉末状催化剂难回收等问题,提出构建集吸附和光催化功能耦合的宏观尺度碳掺杂氮化硼/生物炭(BCN@C)仿生组装体,使BCN上的光电子引入到含大量吸附位点的生物质衍生炭上,促进铀的可持续还原。重点围绕BCN@C的仿生组装以及BCN与生物炭之间能级匹配度的精细调控,利用同步辐射X射线吸收精细结构技术研究BCN@C仿生组装体上铀的配位环境、化学价态和键合模式,进而在分子水平上揭示吸附剂/半导体能级匹配度与铀吸附-催化还原的构效关系。最后,在有机物存在的情况下,探究有机物的光氧化对铀的吸附-催化还原的作用机制。预期成果有望为含有机物的放射性废水的处理提供理论参考。
英文摘要
The adsorption and photocatalytic reduction treatment of uranium in radioactive wastewater is one of the most concerned frontier issues in the field of radiochemistry. However, the soluble organics coordinate with uranium and thus severely decrease the adsorption efficiency. Meanwhile, the limited active sites on the photocatalyst are easily occupied by the reduction products of uranium and the difficulty of recovering the powdery catalyst also limits the further application of the catalyst. Herein, we propose to construct a 3D macroscale carbon-doped boron nitride@bio-charcoal (BCN@C) bionic assembly with adsorption-photocatalytic function, so that the photoelectrons on BCN will be introduced to bio-charcoal with a large number of adsorption sites, and promote the continuous reduction of uranium. In this project, we focus on the assembly of the BCN@C bionic assembly and the fine adjustment of the energy level matching between BCN and bio-charcoal. Synchronous radiation X-ray absorption fine structure technology is used to study the coordination environment, chemical valence state and bonding mode of uranium on the BCN@C bionic assembly. Furthermore, we will provide the correlation between the energy-level matching of adsorbent/semiconductor and the adsoption-reduction performance in the molecular level. Meanwhile, the influence of photo-oxidation of organics on the adsoption-reduction of uranium will be illuminated. This project is expected to provide theoretical references for the treatment of organic radioactive wastewater.
本项目围绕光催化剂上活性位点有限、载流子分离效率低,进而影响后续在有机物干扰下铀还原分离的问题。创新构筑了多种原位p-n同质结、肖特基结以及缺陷型气凝胶用于含铀放射性废水的深度净化。取得了以下成果:.(1)利用碳热还原技术构筑了无电子传输损耗的三元BCN HNTs原位p-n同质结。依靠密度泛函理论计算和其他光谱分析,我们区分了h-BN中引入的六元碳环,形成了能级可调的p-n同质结。在较宽的铀浓度范围内,BCN HNTs表现出显著的铀去除效率。此外,我们发现在h-BN晶格中引入碳可以提高对铀物种的吸附能,从而提高铀的提取能力。.(2)采用溶剂热反应制备了MXene衍生3D缺陷TiO2(M)@RGO气凝胶。通过原位XPS光谱,我们发现TiO2(M)上产生的光生电子通过肖特基结转移到RGO气凝胶上。因此,TiO2(M)@RGO气凝胶对U(VI)的去除效率高达95.7%。依靠XAS技术,我们区分了2H2O-2Os-U-5Ol从黑暗到光明条件下向H2O-2Os-U-3Ol的演化,进一步证实了高价铀的还原。.(3)通过微纳组装以及碳热还原技术制备了生物质衍生炭封装的纳米零价铁气凝胶(nZVI@KGMC)。生物炭封装可以有效地减缓nZVI的氧化和团聚现象。nZVI@KGMC对铀的富集率可达90.1%,吸附容量为720.8 mg/g。同时,发现有机物的存在下可以消耗空穴,进一步促进对铀的还原分离。.(4)通过定向冷冻技术和原位高温碳化合成了生物质炭包覆的ZIF-8衍生ZnO碳气凝胶(KC@C-ZnO)。在有机物的干扰条件下,KC@C-ZnO仍然保持优异的铀提取性能。机理研究表明,KC作为“骨架”封装C-ZnO不仅提高了催化剂的回收性能,而且提高了ZnO的光稳定性。C-ZnO和KC的协同作用促进了光生电荷分离并促进了⋅O2−的生成,从而进一步形成稳定的UO3⋅NH3⋅H2O晶相。. 综上所述,本项目构建多种具有肖特基结接触的吸附剂-半导体3D宏观尺度组装体,同步实现了高效的铀富集分离和有机物的氧化。同时,为放射性废水处理提供了重要的技术支撑和人才储备,有力推动了该领域的发展。
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