太阳能驱动ZnS@MXene异质结构实现放射性废水三重协同净化与能量回收

为解决放射性废水中铀(U(VI))与有机污染物协同去除难题，研究人员开发了基于ZnS@MXene/CF阴极的自驱动光电位催化系统(APDCS)，通过Ti-O-Zn键介导的电子传输路径，实现97% UO22+去除率、95%四环素降解效率及稳定电能输出，为复杂放射性废水处理提供可持续解决方案。

　　

放射性废水治理正面临前所未有的挑战——铀矿开采和核工业排放的废水中，高迁移性的UO₂²⁺与有机污染物形成的稳定复合物，不仅威胁生态系统健康，更使传统处理技术陷入"吸附位点被封锁、降解效率骤降"的困境。更棘手的是，现有光催化技术普遍存在电荷复合快、依赖外部能源等问题，难以实现铀资源回收与污染物降解的协同作战。

针对这一国际难题，中国的研究团队在《Water Research》发表突破性成果。他们巧妙设计了一种自驱动光电位催化系统(APDCS)，通过ZIF-8硫化法在MXene纳米片上构建ZnS@MXene异质结构，与单片光阳极集成，创造出能同时"捕获铀、消灭有机物、发电"的三重功能材料。这种设计就像给废水处理系统装上了"太阳能引擎"——Ti₃C₂ MXene的导电网络如同电子高速公路，而Ti-O-Zn键则像特制的桥梁，使铀提取速度提升22倍，四环素降解效率提高4.3倍。

研究团队采用多尺度表征技术（包括X射线光电子能谱和电化学阻抗谱）解析材料特性，通过模拟实际废水环境（含多种干扰离子和有机物）验证系统稳定性。特别值得注意的是，他们在自然光照下进行15次循环测试，性能衰减不足5%，这在工程化应用中具有里程碑意义。

【材料表征】揭示ZnS纳米颗粒均匀锚定在MXene层间，形成分级孔隙结构，比表面积达328 m²/g，为铀吸附提供丰富活性位点。

【性能优化】在pH=5条件下，APDCS对UO₂²⁺的吸附容量达892 mg/g，动力学符合伪二级模型，光电流密度比传统CF阴极提高6.8倍。

【机理研究】原位红外光谱证实UO₂²⁺通过-O/-OH基团配位吸附，DFT计算显示Ti-O-Zn界面使电荷转移能垒降低0.37 eV。

这项研究不仅建立了放射性废水处理的新范式，更开创性地将环境修复与能源回收耦合。其核心价值在于：MXene的等离子体效应将光响应范围拓展至可见光区，而内建电场驱动的"电子-空穴分道扬镳"机制，实现了无需外部能源的持续净化。正如研究者指出，这种"一石三鸟"的设计策略，为核工业废水处理提供了兼具经济性和可持续性的解决方案，对实现"双碳"目标具有重要实践意义。