铀酰-氧化石墨烯复合膜在增强光催化降解三丁基磷酸盐方面的应用

《Environmental Science: Advances》：Uranyl–graphene oxide composite membranes for enhanced photocatalytic tributyl phosphate degradation

光催化降解|铀酰离子|石墨烯氧化物|复合膜|TBP去除|活性氧物种|氢原子转移|循环稳定性|放射性废水处理|贫铀资源利用

　　这项研究聚焦于一种新型材料——铀酰-氧化石墨烯（U@GO）复合膜，用于处理放射性有机废物，特别是用于降解三丁基磷酸酯（TBP）。TBP作为一种常见的放射性废水污染物，在核燃料再处理过程中具有重要的应用价值，但其降解难度较大，传统的化学或生物方法难以高效处理。本研究通过简单的一步浸渍法将铀酰离子负载到氧化石墨烯上，并将其制备成膜状结构，从而实现对TBP的高效光催化降解。研究结果表明，该复合膜不仅具有良好的吸附性能，还表现出显著增强的光催化活性，为放射性废水处理提供了一种新的思路和方法。

在实验设计方面，研究者首先利用氧化石墨烯的高比表面积、丰富的表面官能团以及良好的电子接受能力，通过一步浸渍法成功制备了U@GO复合膜。这种制备方法操作简便，具有良好的可回收性和重复使用性。随后，研究团队通过多种表征手段对材料的结构和化学特性进行了系统分析，包括X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、X射线光电子能谱（XPS）、拉曼光谱（Raman）以及紫外-可见吸收光谱（UV-Vis）等。这些分析手段共同揭示了铀酰离子与氧化石墨烯之间的相互作用，以及这种相互作用对材料光催化性能的影响。

从结构表征的结果来看，铀酰离子的吸附改变了氧化石墨烯原有的层状结构，使其转变为一种更加不规则的形态。XRD图谱显示，氧化石墨烯的（002）晶面特征峰在吸附铀酰离子后显著减弱，表明层间结构发生了变化。同时，FT-IR光谱中出现了新的吸收峰，对应于铀酰离子中铀-氧键的不对称伸缩振动，进一步验证了铀酰与氧化石墨烯之间的化学结合。Raman光谱中的D/G比值增加，说明材料在吸附过程中形成了更多的缺陷和无序区域，这可能增强了其光催化活性。XPS分析则揭示了铀酰离子在氧化石墨烯表面的分布情况，以及其氧化态的稳定性，表明铀酰离子在复合膜中保持了U（vi）的价态，为后续的光催化反应提供了稳定的基础。

在光催化性能测试中，研究团队选择了罗丹明B（RhB）作为模型污染物，用于评估U@GO复合膜的降解能力。实验结果显示，与单纯的氧化石墨烯或铀酰离子相比，U@GO复合膜在光催化降解RhB方面表现出显著的提升。其降解率在4小时内达到了89%，而单纯的氧化石墨烯仅为55%。这一结果表明，氧化石墨烯不仅为铀酰离子提供了良好的吸附平台，还通过其独特的电子传递特性增强了其光催化性能。此外，通过五次循环实验，研究者发现U@GO复合膜仍能保持较高的降解效率（超过82.44%），进一步证明了其良好的稳定性和可重复使用性。

在针对TBP的光催化降解实验中，U@GO复合膜同样表现出优异的性能。在8小时内，其降解率达到66%，远高于纯铀酰离子或氧化石墨烯的降解效率。这一现象表明，氧化石墨烯与铀酰离子的协同作用在TBP的降解过程中发挥了关键作用。实验中还观察到了气泡的产生，通过气相色谱分析，确认这些气泡主要由二氧化碳（CO?）组成，说明TBP在光催化降解过程中被完全矿化为无害的小分子物质。这种矿化过程不仅减少了污染物的毒性，还实现了对放射性物质的有效处理，具有重要的环境和安全意义。

为了深入理解光催化降解的机理，研究团队进一步通过电子自旋共振（ESR）和核磁共振（NMR）等技术对反应过程中的活性物种进行了识别。ESR结果表明，在光照条件下，U@GO复合膜能够生成羟基自由基（·OH）、超氧自由基（·O??）和单线态氧（1O?）等高活性氧化物种，这些物种在TBP的降解过程中起到了直接作用。而NMR分析则显示，TBP在光催化过程中首先分解为二丁基磷酸酯（DBP）和单丁基磷酸酯（MBP），随后进一步氧化为磷酸盐类物质，最终转化为CO?等无害产物。这些中间产物的检测和分析为理解TBP的降解路径提供了重要依据。

值得注意的是，研究者还通过“双杯实验”和“自由基清除实验”进一步验证了反应机制。在双杯实验中，将U@GO复合膜与氧化石墨烯膜分别置于含有RhB的溶液两侧，发现只有当RhB直接接触U@GO膜时才发生明显的降解，这说明光催化反应依赖于材料与污染物之间的直接相互作用。而自由基清除实验则通过使用不同的自由基捕获剂，分析了不同活性物种在降解过程中的贡献。结果表明，光生空穴（h?）在反应中起到了主导作用，而羟基自由基和单线态氧则在一定程度上参与了反应。这说明U@GO复合膜的光催化机制是多路径的，其中光生空穴的生成和传递是关键环节。

此外，研究团队还探讨了U@GO复合膜在实际应用中的潜力。由于TBP在核工业废水处理中具有重要地位，而其降解难度较高，因此寻找一种高效且环保的处理方法至关重要。U@GO复合膜不仅能够有效吸附和降解TBP，还能在光照条件下持续发挥作用，避免了传统方法中可能存在的二次污染问题。更重要的是，该材料利用了铀酰离子本身作为光催化剂，实现了“以废治废”的理念，即通过回收和再利用核工业中产生的铀资源，将其转化为具有光催化功能的材料，从而提高资源利用效率并减少环境污染。

从环境和资源利用的角度来看，这项研究的意义不仅在于提供了一种新的光催化材料，还在于其对铀资源的再利用。铀酰离子作为核工业的副产物，通常被作为废料处理，而本研究通过将其负载到氧化石墨烯上，使其在光催化过程中发挥积极作用。这种策略不仅有助于减少核废料的处理压力，还为铀元素的再利用提供了新的方向。同时，该材料的可回收性和高效性也为工业废水处理提供了一种可持续的解决方案。

本研究的创新点在于将铀酰离子与氧化石墨烯结合，形成一种具有光催化功能的复合膜材料。这种材料在结构上保持了氧化石墨烯的优异特性，同时通过铀酰离子的引入增强了其光响应能力。与传统的光催化剂相比，U@GO复合膜具有更高的稳定性、更广的适用范围以及更环保的处理方式。此外，研究还表明，该材料在光照条件下能够持续释放活性氧物种，从而实现对TBP的高效降解。这些特性使得U@GO复合膜在处理放射性有机污染物方面具有显著优势。

综上所述，这项研究为放射性有机废物的处理提供了一种创新且高效的解决方案。通过将铀酰离子与氧化石墨烯结合，形成具有光催化性能的复合膜，不仅提升了材料的降解能力，还实现了铀资源的再利用。这一方法在工业废水处理领域展现出广阔的应用前景，特别是在核工业和相关高污染行业。同时，研究结果也为进一步探索铀元素在光催化中的应用提供了理论支持和实验依据，推动了铀化学在环境治理和资源回收方面的深入发展。未来，随着对光催化机制的进一步研究和材料性能的优化，U@GO复合膜有望成为处理放射性废水的重要工具，为实现绿色、可持续的工业发展贡献力量。