功能化共价有机框架异质结与孔壁工程协同提升光催化铀还原性能研究

针对放射性铀污染治理难题，研究人员通过整合孔壁工程与异质结策略，首次构建NH2-MX@Por-COF-OMe光催化剂。该材料通过?OMe基团调控电子结构，形成肖特基异质结促进电荷分离，实现U(VI)高效还原（qm=1858.7 mg/g，k=0.098 min?1），为核废料处理提供新思路。

　　

随着核能产业的快速发展，放射性铀污染治理成为全球性难题。可溶性六价铀(U(VI))的高毒性和迁移性严重威胁生态环境与人类健康，而传统处理方法存在效率低、成本高等瓶颈。光催化技术因其绿色高效的特点被视为理想解决方案，但现有光催化剂面临电子-空穴复合快、活性位点不足等挑战。共价有机框架(COFs)材料凭借高比表面积和可调控的π共轭结构展现出潜力，但单纯功能化修饰难以实现性能突破。

针对这一难题，中国中南大学的研究团队创新性地提出异质结与孔壁工程协同策略，设计出NH₂-MX@Por-COF-OMe复合光催化剂。该研究通过氨基功能化Ti₃C₂T_x MXene(NH₂-MX)基底与卟啉基COFs的希夫碱共价连接构建肖特基异质结，同时引入?OMe等取代基精准调控孔壁电子结构。实验表明，这种"双管齐下"的设计使材料在可见光下实现U(VI)的快速还原（40分钟去除率98.3%），吸附容量达1858.7 mg/g，相关成果发表在《Journal of Colloid and Interface Science》。

关键技术包括：1) 氨基功能化MXene基底制备；2) 三组不同取代基(?H/?Br/?OMe)修饰的卟啉基COFs原位合成；3) 通过UV-vis DRS、XPS等技术表征能带结构；4) 光电化学测试验证电荷分离效率；5) 批次吸附实验评估U(VI)去除性能。

【材料制备与表征】
通过LiF/HCl蚀刻法制备NH₂-MX基底，选取TAPP作为胺单体，与三种醛单体（含?H/?Br/?OMe）反应合成Por-COF系列。XRD和N₂吸附证实材料保持高结晶度（比表面积>800 m²/g），FT-IR证明亚胺键成功连接。

【电子结构调控】
?OMe修饰的Por-COF-OMe表现出最负的导带位置（?1.12 eV vs. NHE），DFT计算显示其电荷密度分布更利于UO₂²⁺吸附。紫外漫反射表明?OMe使吸收边红移，可见光利用率提升35%。

【异质结效应】
Mott-Schottky测试显示NH₂-MX与Por-COF-OMe形成肖特基势垒（ΔE=0.78 eV），瞬态光电流响应提高4倍，EIS谱显示电荷转移电阻降低89%，证实界面电子快速迁移。

【光催化性能】
在pH=5条件下，NH₂-MX@Por-COF-OMe的U(VI)去除动力学常数(k=0.098 min^?1)远超单一组分（NH₂-MX仅0.004 min^?1）。XPS证实U4f峰向U(IV)特征位移，TEM观察到表面沉积UO₂纳米颗粒。

该研究开创性地将孔壁工程与异质结构建相结合，阐明电子给体修饰与界面电荷传输的协同机制。?OMe基团通过诱导效应优化COFs还原电位，而共价连接的肖特基异质结实现电子定向迁移，二者共同突破光催化铀还原的性能极限。这项工作不仅为核废水处理提供新材料，更为多功能COFs的设计提供范式，在环境修复与能源材料领域具有重要指导意义。