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在核工业发展中，放射性废水处理至关重要。为解决传统电极去除放射性核素效率低的问题，研究人员制备垂直取向 MXene@PB 电极用于 U (VI) 和 Cs (I) 的电容去离子（CDI）研究。结果显示该电极吸附性能优异，为多污染物去除提供新思路。
随着全球对清洁能源需求的不断增长，核能作为一种低碳能源，其在能源结构中的占比逐渐增加。然而，核电站运行过程中产生了大量含有铀（U (VI)）、铯（Cs (I)）等放射性核素的低水平放射性废水。这些放射性废水若未经有效处理直接排放，会对生态环境和人类健康造成严重威胁。比如，铀会在人体内不断累积，损害肾脏等重要器官；铯则可能导致甲状腺疾病等健康问题。传统的放射性核素分离技术，如溶剂萃取、膜分离等，存在成本高、二次污染等问题。电容去离子（Capacitive Deionization，CDI）技术作为一种新兴的分离方法，因其经济环保等优势受到广泛关注，但现有通过传统浸涂法制备的功能电极存在诸多缺陷，如孔隙结构曲折度高、活性位点难以接触等，导致对放射性核素的去除效率不佳。在这样的背景下，开展高效去除放射性核素的研究迫在眉睫。
为解决上述问题，研究人员开展了利用垂直定向冷冻铸造法制备 MXene - 普鲁士蓝（PB）复合（MXene@PB）电极用于同时去除 U (VI) 和 Cs (I) 的研究。该研究成果发表在《Desalination》上，为放射性废水处理提供了新的解决方案。
研究人员主要采用了以下关键技术方法：首先是垂直定向冷冻铸造技术，将 PB 纳米颗粒和 Ti3C2Tx MXene 层添加到壳聚糖溶液中，搅拌形成混合浆料，再经定向冷冻干燥制备出低曲折度的 MXene@PB 电极。其次，利用傅里叶变换红外光谱（FT - IR）和 X 射线光电子能谱（XPS）对电极的化学结构进行分析，以此探究电极与放射性核素的作用机制。
研究结果
- 吸附动力学：在 pH 为 7、外加电位 1.2 V 的条件下，进行吸附实验。结果表明，MXene@PB 电极对 U (VI) 和 Cs (I) 的吸附平衡可在 5 分钟内达到，根据动力学常数，这比非垂直取向电极快得多。通过动力学分析，发现吸附数据符合准二级动力学模型，这意味着该吸附过程主要受化学吸附控制。
- 吸附容量：垂直取向的 MXene@PB 电极对 U (VI) 和 Cs (I) 展现出较高的去除容量，分别为 476.2 mg/g 和 378.8 mg/g，显著高于非垂直取向的 MXene@PB 电极（365.0 mg/g 和 307.7 mg/g）。
- 吸附等温线：对吸附数据进行等温线分析，结果符合 Langmuir 等温线模型，说明该吸附过程为单分子层吸附，且在电极表面均匀发生。
- 选择性吸附：研究发现，与众多竞争离子相比，该电极对铀和铯具有显著的选择性，铀的分配系数为 4.43×104 mL/g，铯的分配系数为 3.56×104 mL/g。
- 作用机制：通过 XPS 研究证实，MXene 的含氧官能团和壳聚糖的氨基与 U (VI) 发生强烈相互作用，部分 U (VI) 被 Ti3C2Tx氧化生成的 TiO2还原为 U (IV)；而 Cs+离子主要被捕获在普鲁士蓝（PB）晶格中，并与氰基结合。
研究结论与讨论
本研究成功制备了垂直取向的 MXene@PB 电极，实现了对 U (VI) 和 Cs (I) 的同步、高效电容去离子，具有吸附速率快、容量大、选择性高的优点。该研究不仅为放射性废水处理提供了一种高效的电极材料，还为通过合理设计电极结构实现多种污染物同时去除提供了参考。垂直定向冷冻铸造法有效调控了电极的微观结构，降低了电极的曲折度，缩短了目标离子迁移到活性位点的路径，暴露了更多活性位点，从而提升了吸附性能。不过，该研究目前仅在实验室条件下进行，未来需要进一步开展实际应用研究，探索在复杂实际废水环境中的处理效果以及长期稳定性等问题。同时，还可以对电极材料进行优化，探索更多复合方式，以进一步提高其性能。总之，这项研究在放射性废水处理领域具有重要的理论和实践意义，有望推动相关技术的发展和应用。
