生物电驱动BiVO4电化学切换离子交换技术高效回收水溶液中Cs+的研究

针对核废液中Cs+去除的挑战，研究人员开发了微生物燃料电池（MFC）耦合电化学切换离子交换（ESIX）系统，采用晶格可调的BiVO4阴极和氮掺杂聚苯胺阳极（PANI/NCF）。结果表明，四方相BiVO4（t-BiVO4）对Cs+的吸附容量达63.5 mg/g，选择性优于单斜相（m-BiVO4），且系统最大功率密度达247 mW/m2，为放射性废水处理提供了节能新策略。

　　

论文解读

核能作为低碳高密度的清洁能源，其发展受限于放射性废液的处理难题，尤其是半衰期长达30年的铯-137（¹³⁷Cs）。Cs⁺因高水溶性和生物累积性，可通过食物链引发癌症和器官损伤。传统吸附、离子交换等技术存在选择性差、能耗高的问题，而电化学切换离子交换（ESIX）虽能通过材料氧化还原态调控离子吸附，却面临电极循环能耗高、材料稳定性不足的瓶颈。

为解决这一难题，中国某研究团队在《Desalination》发表研究，首次将微生物燃料电池（MFC）与ESIX系统耦合，设计出以四方相BiVO₄（t-BiVO₄）为阴极、氮掺杂聚苯胺/碳毡（PANI/NCF）为阳极的集成系统。通过密度泛函理论（DFT）计算和实验验证，揭示了Bi³⁺/Bi^(3-x)+与V⁵⁺/V⁴⁺双氧化还原对协同作用下的Cs⁺选择性吸附机制，同时利用MFC生物产电驱动ESIX过程，实现能量自给。

关键技术方法
研究采用共沉淀法合成t-BiVO₄和m-BiVO₄，通过脉冲电沉积制备PANI/NCF阳极；结合扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）和X射线衍射（XRD）分析材料结构；利用DFT计算晶格应变与离子吸附能；通过循环伏安法（CV）和电化学阻抗谱（EIS）评估电极性能；采用竞争吸附实验测定离子选择性系数。

研究结果

1. BiVO₄阴极的微观结构表征
SEM显示t-BiVO₄表面粗糙度高于m-BiVO₄，暴露更多活性位点。XRD证实Cs⁺吸附引发晶格可逆膨胀（0.5%），TEM观察到Cs⁺嵌入后晶面间距从0.312 nm增至0.318 nm。

2. 电化学性能与吸附机制
在-0.6 V（vs. SCE）下，t-BiVO₄对Cs⁺的吸附容量达63.5 mg/g，较m-BiVO₄提升39.3%。DFT计算表明，t-BiVO₄的较低扩散势垒（0.28 eV vs. 0.41 eV）促进Cs⁺迁移。离子选择性实验显示，t-BiVO₄对Cs⁺/Rb⁺的分离因子高达5.30。

3. PANI/NCF阳极的生物电化学性能
氮掺杂使PANI/NCF输出电压提升1.4倍，最大功率密度达247 mW/m²。微生物负载实验证实N掺杂增强生物膜形成，电荷转移电阻降低62%。

4. 系统稳定性
t-BiVO₄阴极经10次循环后保留75.03%初始容量，阳极持续运行120小时无显著极化。

结论与意义
该研究通过晶格工程和界面优化，首次实现MFC-ESIX系统对Cs⁺的高效回收。t-BiVO₄的双氧化还原机制与PANI/NCF的生物电催化协同作用，为放射性废水处理提供了“零能耗”新范式。未来可拓展至其他重金属离子分离领域，推动核废资源化与绿色能源技术的融合。