通过CTAB插层技术实现MXenes材料的简易界面工程化，从而快速且选择性地从复杂的盐湖卤水中捕获铀

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Facile interface engineering of MXenes via CTAB intercalation for rapid and selective uranium capture from complex salt lake brines

本研究开发超声辅助CTAB插层Ti3C2Tx MXene，有效增大层间距并增强界面富集效应。实验表明，其铀吸附容量达326.4 mg/g，60分钟内快速平衡，优于原始MXene。在竞争离子和实际盐湖卤水（0.47 mg/L）中均保持高效吸附，机理证实CTAB通过静电和内圈配位协同稳定铀酰离子，为复杂盐水铀回收提供新策略。

　　在当前全球对工业发展、气候变化以及社会经济可持续性的关注日益增加的背景下，核能作为一种低碳且高效的能源形式，正逐渐成为世界能源结构中的重要组成部分。随着核能需求的增长，铀作为核燃料的核心资源，其供应保障显得尤为重要。然而，目前铀资源的获取主要依赖于陆地上的铀矿，这些矿藏的分布不均，难以满足未来核能大规模发展的需求。因此，探索新的铀资源获取途径成为研究热点之一。

海洋被认为是铀资源的重要潜在来源，其铀储量巨大，约为陆地储量的千倍。然而，由于海水中的铀浓度极低（约3.3 ppb），加之复杂的离子环境和生物污染等因素，从海水中提取铀的技术和经济成本极高。相比之下，盐湖卤水中的铀浓度显著高于海水，约为300 ppb，这为铀的提取提供了更为有利的条件。然而，盐湖卤水的复杂性同样带来了技术挑战，尤其是在离子竞争和材料稳定性方面。

为了提高铀的提取效率，研究者们不断探索新的吸附材料和方法。MXenes，作为一类新型的二维材料，因其独特的物理化学性质而受到广泛关注。MXenes具有大的比表面积、丰富的表面官能团（如–OH、–F、=O）以及可调控的层间间距，使其在铀吸附方面展现出巨大的潜力。然而，未经修饰的MXenes在实际应用中仍面临诸多问题，如层间扩散受限、在高盐环境下的稳定性不足以及对其他离子的低选择性等。

基于MXenes的层间特性，本研究提出了一种简便而有效的改性策略，即通过超声辅助插层的方式引入十六烷基三甲基氯化铵（CTAB）分子，构建高性能的MXene基吸附材料（CTAB-Ti?C?Tx）。CTAB的引入不仅扩大了MXene的层间间距，还通过“界面富集”和“位点协同”机制增强了铀的吸附能力。该方法相较于以往的Ti?C?Tx改性技术，具有更简单的操作流程和更高的效率。实验结果表明，CTAB-Ti?C?Tx在实验室规模下展现出卓越的铀吸附性能，其吸附容量达到326.4 mg/g，且在60分钟内即可达到吸附平衡，显著优于原始Ti?C?Tx材料。此外，该材料在存在强竞争离子的复杂卤水环境中仍能保持高效的铀吸附能力，在自然盐湖卤水中实现了0.5 mg/g的铀吸附量，这一性能在实际应用中具有重要意义。

为了验证CTAB-Ti?C?Tx的改性效果及其对铀吸附的促进作用，本研究进行了系统的结构和性能表征。通过X射线衍射（XRD）分析，证实了CTAB成功插层到Ti?AlC?的层间，从而显著削弱了铝元素的衍射峰，表明铝层已被有效去除。扫描电子显微镜（SEM）和能量色散光谱（EDS）进一步展示了CTAB-Ti?C?Tx的微观结构和元素分布，确认了CTAB分子在MXene表面的均匀分布。傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）分析则揭示了CTAB分子与MXene表面官能团之间的相互作用，为理解其增强铀吸附的机制提供了关键依据。

在实际应用中，铀的提取不仅需要高吸附容量，还必须具备良好的选择性和可回收性。CTAB-Ti?C?Tx在这些方面表现出色。其表面官能团与CTAB分子的协同作用，使得铀离子能够更有效地被捕获并稳定在吸附材料的界面区域。这种“界面富集”效应显著提高了铀与其他离子的竞争吸附能力，从而提升了材料的选择性。同时，材料的结构稳定性使其在多次吸附-解吸循环中仍能保持较高的吸附性能，显示出良好的可回收性。

从理论角度来看，CTAB的引入通过改变MXene的表面化学环境，增强了其与铀离子之间的相互作用。首先，CTAB分子的插层行为改变了MXene的层间结构，使得层间间距扩大，从而促进了铀离子的扩散和吸附。其次，CTAB分子本身具有较强的亲水性和表面活性，能够在MXene表面形成一层富集膜，进一步增强其对铀离子的吸附能力。此外，CTAB分子与MXene表面的氧官能团之间可能形成氢键或其他非共价相互作用，从而在吸附过程中发挥协同效应，提高吸附效率。

在实验设计方面，本研究不仅关注CTAB-Ti?C?Tx的吸附性能，还系统评估了其在不同环境下的适用性。从简单的水溶液到复杂的自然卤水，CTAB-Ti?C?Tx均表现出良好的吸附性能，说明其具有广泛的应用前景。特别是在实际盐湖卤水中，其吸附能力仍然保持较高水平，这为大规模铀提取提供了可行性。

本研究的成果为设计下一代MXene基吸附材料提供了新的思路和实验基础。通过有机分子的插层改性，可以有效提升MXene的吸附性能，同时保持其结构稳定性和环境适应性。CTAB作为一种常见的表面活性剂，其在MXene改性中的应用不仅简化了材料的制备过程，还为其他有机分子的插层提供了借鉴。未来，可以进一步探索不同有机分子对MXene表面性质的影响，以优化其在铀提取中的应用性能。

此外，本研究还强调了在实际应用中对材料稳定性和选择性的重视。由于盐湖卤水中的离子浓度较高，且存在多种竞争离子，吸附材料需要具备良好的稳定性和高选择性，以确保铀的高效提取。CTAB-Ti?C?Tx在这些方面表现出色，为解决实际应用中的难题提供了有效方案。同时，该方法的可扩展性也值得肯定，其制备过程简单且易于规模化，有助于推动其在工业领域的应用。

综上所述，本研究通过超声辅助插层的方式，成功改性了Ti?C?Tx MXenes，使其在铀吸附方面展现出优异的性能。这一成果不仅为铀提取技术的发展提供了新的方向，也为其他类似材料的改性研究提供了参考。随着对铀资源需求的持续增长，开发高效、稳定且经济可行的吸附材料将成为未来研究的重点。CTAB-Ti?C?Tx的出现，标志着在这一领域取得了重要进展，为实现铀的高效提取奠定了坚实基础。