一步水热法合成硫化铋气凝胶，用于高效捕获碘

《Frontiers in Environmental Science》：One-step hydrothermal synthesis of bismuth sulfide aerogel for efficient iodine capture

高效捕获放射性碘是核安全的关键，Bi?S?气凝胶通过水热法结合模板去除制备，具有高比表面积和孔隙率。实验表明200℃煅烧样品碘吸附容量达1204 mg/g，符合伪二阶动力学和Freundlich等温线，机制为Bi?S?与I?反应生成稳定BiI?。其耐酸碱性和化学稳定性优异，适用于核废料中碘的长期固定处理。

　　
放射性碘的捕获是核安全领域的关键挑战。碘因挥发性强、易生物累积且部分同位素半衰期长达数百万年，其高效固定对防止核废料泄漏至关重要。传统处理方法如湿洗漱存在二次污染风险，而固体吸附剂因操作简便、环保且可重复使用，成为研究热点。近年来，铋基材料因兼具碘捕获能力与成本优势备受关注，但多数研究集中在二维材料或复合涂层上，三维多孔结构材料的开发仍存在局限。

本文创新性地采用水热法结合模板去除技术，成功制备出三维互联的Bi?S?气凝胶。通过优化合成参数，该材料在200℃煅烧后展现出最佳性能：碘气吸附容量达1204mg/g，液相吸附容量186mg/g，均优于传统活性炭和银基吸附剂。其性能优势源于独特的三维多孔结构（比表面积4.69m2/g）与表面化学特性，具体机制包括化学键合与碘的多相迁移过程。

气凝胶的制备工艺采用两步法：首先通过水热反应生成Bi?S?/壳聚糖复合气凝胶，再经低温煅烧去除有机模板。这种工艺既保证了三维网络结构的完整性，又避免了高温对材料性能的破坏。SEM显示纳米级Bi?S?颗粒通过自组装形成三维框架，XRD证实煅烧温度控制在200℃时材料晶体结构最稳定，且具有优异的酸碱稳定性（pH范围2-12）。

碘吸附性能的突破性表现体现在多个维度。气凝胶在75℃碘蒸气环境中的吸附过程呈现典型的双阶段特征：初始阶段（0-16小时）吸附速率快，主要依靠表面化学吸附；后期（16-50小时）速率下降，进入孔隙填充主导阶段。这种动力学特征与伪二阶模型高度吻合（R2=0.84），表明吸附过程受化学键合控制。对比实验显示，煅烧温度超过250℃后吸附容量骤降67%，说明温度需精确控制以保证材料活性。

吸附机理研究揭示了多级反应路径。FTIR光谱显示Bi-S键特征峰（1623cm?1、1372cm?1、718cm?1）在碘吸附后发生位移或消失，证实硫元素参与化学键断裂。XRD检测到新生成BiI?相（特征衍射角12.8°、26.9°等），结合EDX元素映射显示碘在三维结构中均匀分布，且铋元素与碘形成1:3的稳定化合物。反应方程式为Bi?S? + 3I? → 2BiI? + 3S，该反应释放的硫单质可进一步促进碘的化学吸附。

材料性能优势体现在三个方面：其一，三维多孔结构（孔径9.3nm）提供了高达0.0103cm3/g的孔容，使碘分子能充分接触活性位点；其二，BiI?的生成具有热力学稳定性，经500℃高温测试仍保持80%以上碘固定效率；其三，成本仅为商业银基材料的1/3，且原料易得，可规模化生产。

工程应用潜力方面，该材料在模拟核废料处理中展现出独特优势。在含129I的酸性气体环境（pH=3）中，吸附容量仍保持原始值的92%，且经5次循环吸附后性能衰减不足15%。这种稳定性源于Bi-S-C键的三维网络保护，以及BiI?在极端条件下的结构韧性。液相吸附实验显示，在1mg/L的129I溶液中，吸附剂10分钟内即可达到平衡，处理效率较传统活性炭提升3倍。

技术经济性分析表明，Bi?S?气凝胶的原料成本（铋盐+硫源）约为$85/kg，低于活性炭（$120/kg）和银纳米颗粒（$2500/kg）。规模化生产后，单吨吸附剂成本可控制在$500以内，具备商业转化潜力。生命周期评估显示，其碘固定效率（1204mg/g）是现有商用吸附剂（如Ag/zeolite 696mg/g）的1.7倍，且再生温度仅需300℃（活性炭需500℃以上）。

在核废料处理场景中，该材料可集成到现有工艺的多个节点：1）乏燃料后处理中的碘气分离；2）乏燃料干法储存时的长期稳定吸附；3）退役反应堆气体排放的碘捕获。工程模拟显示，采用该材料可使碘的排放浓度从10??g/m3降至10?12g/m3，满足国际核事件分级表（INES）的最高安全等级要求。

未来发展方向包括：1）开发复合气凝胶（如Bi?S?/CNT）提升机械强度；2）研究碘在气凝胶中的扩散动力学，优化再生工艺；3）拓展到其他卤素（如Br?、Cl?）的捕获应用。此外，通过掺杂过渡金属（如Fe3?）可进一步提升化学稳定性，这对长期封存应用尤为重要。

该研究突破了传统气凝胶制备中有机模板去除导致的结构坍塌难题，成功实现铋硫化物气凝胶的稳定制备。通过结构-性能关联分析，揭示了三维多孔框架与表面化学活性位的协同效应，为核吸附剂设计提供了新范式。其成果不仅填补了高容量碘吸附气凝胶的技术空白，更为核废料处理中的放射性物质固定提供了经济高效的解决方案。