新型Z型Ni-MOF/g-C3 N4 异质结光催化还原铀的性能与机制研究

为解决铀污染治理中光催化材料效率低、稳定性差的问题，研究人员通过溶剂热法构建了Z型CN/Ni-MOF异质结催化剂。实验表明，CN/Ni-MOF(300)在20分钟光照下对U(Ⅵ)的还原效率达94.24%，速率常数0.0877 min?1 ，且循环5次后仍保持93.02%活性。该研究为核废水处理提供了高效可持续的新策略。

　　

随着核能发展，铀污染治理成为环境领域重大挑战。铀既是放射性毒物又是化学毒物，传统处理方法如吸附、膜分离等存在效率低或二次污染风险。光催化技术能将可溶性U(Ⅵ)还原为不溶性U(Ⅳ)，但现有催化剂如g-C₃
N₄
(CN)存在载流子复合快、光吸收不足等缺陷，而金属有机框架(MOFs)虽具高比表面积却在水相中稳定性差。如何通过材料设计协同提升催化活性和稳定性，成为关键科学问题。

国家铀资源勘探与核遥感技术重点实验室团队通过溶剂热法将CN与镍基MOF(Ni-MOF)复合，构建了Z型异质结催化剂。研究采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和瞬态光电流测试等技术表征材料结构，通过控制pH、铀浓度等变量评估催化性能，并利用电子顺磁共振(EPR)捕捉活性物质。

材料表征
SEM显示CN呈块状纳米片堆叠结构，Ni-MOF为菱形形貌，复合后材料表面粗糙度增加，元素分布证实CN成功负载。XRD证明异质结形成未改变晶体结构，紫外可见漫反射(UV-Vis DRS)显示复合材料光吸收边红移，带隙从CN的2.70 eV降至2.55 eV。

光催化性能
在300 mg CN负载量、pH=5条件下，CN/Ni-MOF(300)的U(Ⅵ)还原效率达94.24%，速率常数较纯CN提升6.7倍。该催化剂在1-5 mg/L铀浓度范围内均保持>90%效率，且在模拟海水环境中展现优异抗干扰性。循环实验后催化剂未出现明显结构坍塌，X射线光电子能谱(XPS)证实反应产物为(UO₂
)O₂
·4H₂
O。

反应机制
EPR检测到?O₂
^–
和e^-
信号，淬灭实验证明二者为主要活性物质。能带分析揭示Z型机制：CN的导带电子(-1.13 eV)转移至Ni-MOF的价带(+1.42 eV)，促进载流子分离，同时保留强还原电位(-0.33 eV)实现U(Ⅵ)还原。

该研究通过精准设计Z型异质结，突破单一材料性能瓶颈，为放射性废水处理提供新型高效催化剂。其意义在于：(1)阐明CN与Ni-MOF界面电荷迁移规律；(2)开发出兼具高活性(>94%)和稳定性(5次循环衰减<1.5%)的复合材料；(3)为MOF基光催化剂在核环境修复中的应用提供范式。论文发表于《Applied Surface Science》，通讯作者为Zongbo Xie和Zhanggao Le。