在连续电容去离子过程中采用界面优化电极以实现高效放射性废水处理

《Journal of Hazardous Materials》：Interface?Optimized electrode in Successive Capacitive Deionization for High?Efficiency Radioactive Wastewater Remediation

在碳纤维基底上通过原位氧化构建TiO?@Ti?C?T? MXene异质结构电极，并将其应用于串联电化学去离子化（SCDI）系统，实现放射性废水中铀离子的高效去除。实验表明，该电极在1.2 V电压下对UO?2?的去除效率达99%，吸附容量达159.7 mg/g，且对pH、离子强度、污染物浓度及共存离子具有良好适应性。密度泛函理论计算证实异质结构降低了界面电荷转移势垒，增强电子转移效率，协同电化学吸附机制显著提升铀离子捕获动力学与选择性，为核废水处理提供可持续方案。

　　

张青燕|郭露琳|张亚倩|曹平|刘一琳|王家琛|谢超|刘彦彪|曾青怡

中国南方大学机械工程学院资源与环境安全工程学院，湖南衡阳，421001

摘要

通过原位生长TiO₂@Ti₃C₂异质结构在碳毡上制备了一种界面驱动型电极，并将其应用于连续电容去离子（SCDI）配置中，以实现对铀物种的靶向去除。与其他电极相比，丰富的TiO₂衍生的羟基基团提供了密集的活性界面，促进了UO₂²⁺的快速离子扩散和增强电吸附。密度泛函理论计算验证了TiO₂@Ti₃C₂界面降低了电荷转移障碍，从而增强了伪电容响应。在1.2伏的电压下，该电极的去除效率达到了99%，吸附容量为159.7毫克每克，同时在不同的pH值、离子强度、污染物浓度和竞争离子条件下表现出稳定的性能。SCDI系统固有的电化学协同吸附机制进一步加速了反应动力学并提高了选择性，为从复杂水环境中高效提取放射性离子提供了一个多功能平台。

引言

核能已成为化石燃料的有希望的替代品，其需求的增长将增加全球对铀的需求[1]，[2]。从放射性废水中提取铀被认为是确保核能利用所需铀储备的最有潜力的新方法[3]。目前，已经开发了多种铀去除技术，包括沉淀/共沉淀、溶液萃取、膜分离、吸附和离子交换。这些技术大多存在技术或经济限制，如工艺复杂、成本高昂、效率低下或回收过程中产生的二次污染[4]，[5]，[6]，[7]，[8]。因此，应用外部场可以同时提高这些材料的吸附速率和容量，为高效提取和回收铀提供了创新途径。

电容去离子（CDI）作为一种有前景的离子去除技术，通过电吸附过程提供了经济高效、环境友好且可行的解决方案，用于从水系统中高效去除U(VI)[9]，[10]，[11]，[12]，[13]。电场的引入可以加速铀向吸附剂的移动，有效克服吸附的UO₂²⁺与移动离子之间的库仑相互作用，从而提高吸附效率[14]，[15]，[16]。此外，CDI可以与离子选择性材料有效结合，显著增强吸附过程并提高选择性[17]，[18]。因此，开发具有高容量和选择性的电极以从放射性废水中提取铀对于在电场作用下提高吸附效率至关重要。

二氧化钛（TiO₂）被认为是一种适用于光催化、电驱动还原UO₂²⁺的环保（无毒且稳定）材料[19]，[20]，[21]，[22]，[23]。此外，研究表明TiO₂界面处的水吸附和解离会导致TiO₂表面羟基化，有利于与UO₂²⁺形成表面复合物[24]，[25]。然而，TiO₂的导电性不足，导致电子向UO₂²⁺的转移受限。为了解决这一限制，创建异质结构成为提高TiO₂电极导电性和催化活性的有效策略[26]，[27]。Ti₃C₂T_x MXene作为一种新兴的二维材料，在储能和催化等领域展现了显著的优势，得益于其独特的结构和优异的物理化学性质[28]，[29]，[30]，[31]，[32]，[33]。此外，Ti₃C₂T_x MXene具有亲水表面、较大的层间间距和优异的导电性，可作为插层电极材料，通过氧化还原反应促进离子存储，从而产生伪电容和插层效应[34]，[35]，[36]。在之前的电容去离子（CDI）研究中，引入Ti₃C₂T_x MXene显著提高了TiO₂的导电性，但仍然存在不希望的TiO₂聚集现象，影响了其吸附性能。研究表明，在Ti₃C₂T_x MXene的氧化过程中，C的氧化自由能较大，导致TiO₂优先形成[37]。受此机制启发，可以合理设计部分氧化的TiO₂/Ti₃C₂T_x MXene复合材料，以改善TiO₂的导电性并同时减轻颗粒聚集。同时，已经证实TiO₂@Ti₃C₂电极具有优异的铀去除能力[27]，[35]。

基于上述思路，通过热诱导MXene的原位氧化制备了TiO₂@Ti₃C₂ MXene异质结构（TTH）电极，作为无膜不对称伪电容去离子（CDI）系统中的高性能电极，增强了电辅助铀的固定。利用电化学协同吸附的固有优势，设计了连续电容去离子（SCDI）系统以实现铀物种的高效电吸附。TiO₂@Ti₃C₂ MXene异质结构提供了较大的比表面积和丰富的羟基（来自TiO₂纳米颗粒），从而提高了U(VI)的吸附效率。密度泛函理论（DFT）计算表明，TiO₂@Ti₃C₂异质结构的形成可以加速界面处的电子转移，有利于提高材料的电化学活性。电场不仅加速了离子迁移，提高了铀的吸附效率，还确保了离子与吸附剂的更充分接触，增加了铀物种的吸附容量。SCDI系统在从放射性废水中选择性电吸附UO₂²⁺方面显示出广阔的应用前景。

电极合成

TTH电极是通过简单的煅烧方法制备的。在制备TiO₂@Ti₃C₂ MXene/CF（TTH）复合材料之前，将碳毡（CF）切割成3×3厘米的块，并进行了一系列超声清洗步骤。为了获得均匀混合物，首先将20毫克Ti₃C₂ MXene分散在2毫升去离子水中，再加入1毫升聚乙烯醇（PVA）。然后将所得溶液进行超声处理以确保均匀分散。这种前驱体均匀涂覆在碳毡上。

合成与表征

TTH电极是通过简单的煅烧过程合成的，其中PVA将Ti₃C₂ MXene前驱体结合在一起（图1a,b和图S1）。碳毡（CF）在XRD图谱中显示出26.5°的特征非晶碳峰，而CFMX电极在7.1°处显示出Ti₃C₂的特征（002）峰（图1c）[35]，[38]，证实了Ti₃C₂ MXene的成功掺入。此外，TTH电极在25.4°和38.1°处也显示出特征峰。

结论

本研究开发了一种先进的连续电容去离子（SCDI）系统，采用TTH电极实现U(VI)的高效电吸附。利用电化学协同吸附机制，TTH电极在1.2伏的电压下表现出出色的吸附动力学，U(VI)的去除效率达到99%，吸附容量为159.7毫克每克。该系统在处理含铀废水方面表现出稳健的性能。

环境意义

本研究开发了一种具有优异电吸附能力的异质结构TiO?@MXene电极，能够在环境相关条件下有效去除U(VI)。这种优化的界面结构使得从放射性废水中高效提取和回收铀成为可能，为核废水处理和资源回收提供了可持续且节能的途径。

CRediT作者贡献声明

张青燕：撰写——原始草案、软件开发、实验研究、数据分析。郭露琳：软件开发。刘一琳：撰写——审稿与编辑、项目监督。王家琛：撰写——审稿与编辑、软件开发。张亚倩：软件开发。曹平：软件开发。曾青怡：撰写——审稿与编辑、资源管理、项目协调、概念构思。谢超：软件开发。刘彦彪：撰写——审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（52170083, 12305352）、湖南省自然科学基金（2025JJ60275, 2025JJ60037）和湖南省科技创新计划（2022RC1125）的支持。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。