文 章 信 息

微褶皺結(jié)構(gòu)MXene/氧化石墨烯納米復合材料的設計用于高效分離廢水中的鈾(VI)

第一作者：李克鼎，熊婷

通訊作者：張勇*，竹文坤*

單位：西南科技大學

研 究 背 景

過渡金屬碳化物(MXene)由于其優(yōu)異的物理化學性質(zhì)，包括高氧化還原活性、大比表面積和高表面親水性，這使其成為一種很有前途的水污染物吸附劑，尤其是對于放射性核素U(VI)的吸附。然而，因由于其完全利用暴露的活性位點進行吸附MXene在大多數(shù)環(huán)境條件下化學性質(zhì)不穩(wěn)定，這將導致污染物的意外釋放。

此外，在水環(huán)境中MXene納米片在范德華力的影響下會嚴重聚集進而影響其吸附性能。因此，尋找一種改善MXene納米材料吸附性能的方法對于其在含鈾廢水修復領(lǐng)域的應用十分重要。

文 章 簡 介

基于此，西南科技大學國防科技學院的張勇博士課題組與竹文坤教授合作在《Chemical Engineering Journal》期刊上發(fā)表了題為“Design of MXene/graphene oxide nanocomposites with micro-wrinkle structure for efficient separating of uranium(VI) from wastewater”的論文。

本論文中針對MXene（Ti3C2）納米片在含鈾廢水修復應用中不穩(wěn)定、易聚集的問題，提出了通過引入氧化石墨烯（GO），構(gòu)筑了具有微褶皺結(jié)構(gòu)的MXene/氧化石墨烯納米復合材料（MGN），實現(xiàn)了對含鈾廢水中鈾的穩(wěn)定、高效、快速分離。

圖1. MXene/GO納米復合材料（MGN）的制備與吸附過程示意圖。

本 文 要 點

要點一：MXene/GO納米復合材料的構(gòu)筑

通過SEM獲得了MXene/GO烯納米復合材料的微觀形貌（圖2），并通過XRD和FTIR光譜以及N2吸附/解吸等溫線檢測了所制備樣品的結(jié)構(gòu)組成、BET比表面以及孔徑分布（圖3）。結(jié)果表明，MXene納米片與GO納米片成功復合，并形成了微褶皺結(jié)構(gòu)。所制備樣品的比表面積可達到465.9 m2?g-1分別是純MXene和純GO比表面積的16.6倍和8.1倍。

圖2.（a） MAX（Ti3AlC2）、（b）MXene、（c）GO和（d-f）MXene/GO納米復合材料的SEM圖像，其中MXene/GO質(zhì)量比為（d）1:1（MGN-1）、（e）1:2（MGN-2）和（f）1:4（MGN-3）。

圖3. MAX、MXene、GO和MXene/GO納米復合材料的（a）XRD光譜和（b）FTIR光譜；MXene、GO和MXene/GO納米復合材料（c）N2吸收-解吸等溫線和（d）孔徑分布。
要點二：MXene/GO納米復合材料的鈾吸附性能

通過研究MXene/GO納米復合材料在不同條件下（pH、時間、濃度和溫度）模擬含鈾廢水中對鈾的分離能力（圖4），驗證了所制備納米復合材料在實際含鈾廢水中的潛在應用價值。并通過構(gòu)建吸附動力學模型以及吸附等溫線模型初步研究了MXene/GO納米復合材料在水環(huán)境中對鈾的吸附過程。

結(jié)果表明用于吸附實驗當m/V=0.1 g?L-1，pH=6.0，T=298K時，MXene/GO納米復合材料對U(VI)有很好的吸附能力，最大吸附量為1003.5 mg?g-1遠大于純MXene（173.9 mg?g-1）和純GO（307.3 mg?g-1）的鈾吸附量。

尤其是當CU(VI)=100 mg時，U(VI)在MXene/GO納米復合材料上的平衡時間僅為60 min。由MXene/GO納米復合材料對鈾的吸附動力學模型以及吸附等溫線模型可知鈾在MXene/GO納米復合材料上的吸附過程屬于自發(fā)的、單層的化學吸附過程。

圖4. （A）（a）溶液pH和（b）吸附時間對MXene/GO納米復合材料分離鈾性能的影響，MXene/GO納米復合材料對鈾的（c）準一階吸附動力學模型和（d）準二階吸附動力學模型；（B）鈾在MXene/GO納米復合材料上的（a）非線性Langmuir模型，（b）線性Langmuir模型，（c）非線性Freundlich模型和（d）線性Freundlich模型的吸附等溫線；（C）（a）溶液pH和（b）吸附時間對純MXene和純GO分離鈾性能的影響，純MXene和純GO對鈾的（c）準一階吸附動力學模型和（d）準二階吸附動力學模型；（D）不同溫度下，鈾在MXene/GO納米復合材料上的（a）非線性Langmuir模型，（b）線性Langmuir模型，（c）非線性Freundlich模型和（d）線性Freundlich模型的吸附等溫線。CU(Ⅵ) = 10–300 mg?L-1，m/V = 0.1 g?L-1?和 pH = 6.0。
要點三：廢水中共存物的影響及MXene/GO納米復合材料循環(huán)再生性能

在實際的含鈾廢水中存在各種各樣的共存物，如共存離子和有機物。這些共存物會嚴重影響吸附劑的實際吸附性能。在共存離子實驗中（圖5（A）），MXene/GO納米復合材料在僅在Al3+，Cr3+，F(xiàn)e3+?和CO32-存在時對鈾具有相對較低的吸附效率，表明MXene/GO納米復合材料在共存離子存在時依然對鈾具有較好的選擇吸附性能。

在有機物腐殖酸存在時（圖5（B）），隨著羥基磷灰石濃度從0 mg?L-1增加到20.0 mg?L-1，MXene/GO納米復合材料對U（VI）的吸附效率降低從92.1%到59.5%，表明在高濃度有機物存在時所制備吸附材料仍能保持較高的鈾吸附效率。

對于MXene/GO納米復合材料的循環(huán)再生性能（圖5（C）），經(jīng)過8個循環(huán)后，MXene/GO納米復合材料對U（VI）的吸附效率僅比MXene/GO納米復合材料原來的U(VI)吸附效率低6.2%。

圖5. （A）（a）陽離子（0.01 mol?L-1） 和（b）陰離子（0.01 mol?L-1） 對鈾在MXene/GO納米復合材料上吸附吸附的影響；（B）腐殖酸（HA）濃度對U（VI）在MGN-2上吸附的影響；（C）鈾吸附過程中MXene/GO納米復合材料的循環(huán)利用性能。CU(Ⅵ) = 100 mg?L-1，m/V = 0.1 g?L-1?和 pH = 6.0。
要點四：MXene/GO納米復合材料的鈾吸附作用機制

通過對MXene/GO納米復合材料吸附前后的XPS光譜（圖6）分析了所制備樣品在含鈾廢水中對鈾可能的吸附作用機制。結(jié)果表明U(VI)在MXene/GO納米復合材料上的吸附機理可能是通過還原誘導U(VI)的固定化和絡合來實現(xiàn)的。

同時，U(VI)與MXene/GO納米復合材料表面的靜電相互作用以及MXene/GO納米復合材料的大比表面積可以進一步促進U(VI)在MXene/GO納米復合材料上的吸附。

圖6. （A）（a） 吸附前后MXene/GO納米復合材料的XPS光譜，（b）C 1s，（c）Ti 2p和（d）U 4f的高分辨率XPS光譜；（B）U(VI)在MXene/GO納米復合材料上可能的吸附機理。

?

通 訊 作 者 簡 介

張勇? 博士

西南科技大學國防科技學院教師，博士，研究生導師。2017年于中國科學技術(shù)大學物理學院取得博士學位。2007年起就職于西南科技大學國防科技學院，長期從事面向環(huán)境污水處理、多功能催化等領(lǐng)域的多孔材料制備、性能與應用方面研究工作。近年來，以第一作者/通訊作者在Chem. Eng. J.、J. Hazard. Mater.等期刊發(fā)表SCI論文30余篇，參與多項國家級和省部級科研項目。

竹文坤? 教授

西南科技大學國防科技學院教授，博士，博士生導師，畢業(yè)于中國科學技術(shù)大學，師承俞書宏教授。2019 年入選省“萬人計劃”，省學術(shù)和技術(shù)帶頭人后備人選?，F(xiàn)任四川省軍民融合研究院副院長，環(huán)境友好能源材料國家重點實驗室團隊負責人（PI），長期從事面向環(huán)境治理、能源化學等領(lǐng)域的生物質(zhì)資源開發(fā)與利用方面研究工作。近年來，主持或參與國家重大專項、國家軍工項目、國家自然科學基金項目等項目20余項；獲得四川省科學進步獎1項、綿陽科學進步獎2項；以第一作者/通訊作者在Appl. Catal. B-Environ.、Chem. Eng. J.、J. Hazard. Mater.等期刊上發(fā)表“三類高質(zhì)量論文”50余篇；授權(quán)發(fā)明專利30項，授權(quán)實用新型專利16項。

本信息源自互聯(lián)網(wǎng)僅供學術(shù)交流 ，如有侵權(quán)請聯(lián)系我們立即刪除。