元素掺杂碳纳米管电极强化电容去离子选择性去除铀离子的研究

铀（UO22+）污染治理与资源回收需求迫切，传统技术存效率、选择性等局限。本研究以聚磷腈（PZS）为前驱体，制备 N、P、S、Cl、O 掺杂碳纳米管电极用于 CDI，实现 UO22+去除率 96.4%，为水处理技术提供新策略。

　　

在能源与环境领域，铀资源的开发利用与含铀废水处理始终是备受关注的难题。作为核能生产的关键原料，铀在海水中虽有丰富储量（约 3 parts per billion），但其主要存在形式 UO₂²⁺离子具有高毒性，有效去除该离子对环境保护、资源回收和能源安全至关重要。然而，传统的化学沉淀、离子交换等技术在处理含铀废水时，常面临效率低、选择性差和环境可持续性不足等挑战。因此，开发高效、环保的新型吸附材料成为水处理领域的迫切需求。

为解决上述问题，安徽大学科技大学的研究人员开展了元素掺杂碳纳米管电极用于电容去离子（CDI）技术选择性去除 UO₂²⁺离子的研究。该研究通过聚磷腈（PZS）前驱体结合后煅烧处理，制备了氮、磷、硫、氯、氧等多元素掺杂的碳纳米管电极（C-PZS-X），并系统探究了其对 UO₂²⁺的吸附性能。研究表明，优化后的 C-PZS-2 电极在 100 mg/L 铀（VI）溶液中可实现 96.4% 的去除效率，展现出优异的吸附容量与选择性，相关成果发表在《Desalination》。

研究中采用的主要关键技术方法包括：通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）观察电极的微观形貌，利用 X 射线光电子能谱（XPS）分析化学组成与元素价态，借助电化学性能测试评估电极的电容与离子选择性，同时使用电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）测定溶液中离子浓度以评估铀离子去除效率。

合成与表征

研究以六氯环三磷腈（HCCP）和 4,4′- 二羟基二苯砜（BPS）为原料，按 1:4 摩尔比溶于四氢呋喃（THF），加入三乙胺（TEA）搅拌反应，通过原位模板法合成聚磷腈（PZS）纳米管前驱体，经氮气氛围煅烧后制得掺杂碳纳米管电极 C-PZS-X。表征结果显示，煅烧过程保留了前驱体的中空管状结构，且杂原子成功引入碳骨架。

电化学性能与吸附效率

电化学测试表明，元素掺杂显著提升了电极的电容性能与离子选择性。在模拟含铀天然水体系中，C-PZS-2 电极对 UO₂²⁺的吸附效率高达 97%（初始浓度 100 mg/L）。机制研究发现，杂原子作为活性位点，通过协同配位效应增强了与 UO₂²⁺的相互作用，证实了掺杂结构与电化学性能的优化关联。

结论与意义

本研究成功开发了多元素掺杂碳纳米管电极用于 CDI 技术选择性去除 UO₂²⁺离子。结果表明，杂原子掺杂通过增加活性位点和改善离子传输，显著提升了吸附性能。该研究不仅为铀污染治理提供了高效材料策略，还通过阐明多元素掺杂碳材料的构效关系，推动了电化学水处理技术的发展，为解决水源放射性污染问题开辟了新路径。研究成果对核能可持续发展与水环境安全具有重要的实际应用价值和科学意义。