双机械-太阳能驱动的PVDF/g-C?N?-CN纤维膜用于高效压光催化铀提取

《Desalination》：Dual mechanical-solar driven PVDF/g-C 3N 4-CN fibrous membranes for efficient piezo-photocatalytic uranium extraction

　　

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  水溶液中铀提取容量达到 2249 mg/g。
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  天然海水中铀提取速率达到 1.01 mg/g/天。
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  超声和光联合照射下抗菌效率达到 98.3%。

引言

含铀废水对公共健康和生态环境构成严重威胁。从含铀水体系中高效去除和回收铀不仅是确保环境安全和人类健康的迫切要求，也是推动核能可持续发展的关键步骤 [1]。目前，铀提取的主要方法包括吸附、电化学分离以及光催化和压电催化还原 [2]。其中，吸附法因其成本效益而被广泛用于铀提取。然而，痕量级铀浓度、竞争性金属离子以及生物污垢共同制约了吸附效率和实际应用 [3]。已开发各种功能化策略以提高聚合物吸附剂性能。对于重金属和染料去除，据报道壳聚糖基复合材料 [4] 和硫胺素功能化接枝马来酸酐的壳聚糖 [5] 引入了活性位点，以改善亲和力和选择性。对于铀回收，一种膦酸和磺酸功能化的偶氮苯聚合物通过协同静电和螯合作用在酸性条件下实现了 52.03 mg/g 的容量，突出了杂原子丰富基团在增强铀结合方面的潜力 [6]。

电化学铀提取由外部电压驱动。该电压驱动电极反应，通过电子转移介导可溶性 U(VI) (UO₂²⁺) 向不溶性 U(IV) (UO₂) 的选择性还原 [7]。开发了一种半波整流交流电化学系统，并使用酰胺肟功能化碳电极从海水中提取铀 [8]。然而，对外部电源的依赖导致运营成本高昂 [9]。此外，该过程同时受到共存金属离子竞争干扰和微生物引起的电极腐蚀的制约。

相比之下，太阳能的清洁和经济优势迅速推动了光催化铀提取技术的发展。光催化剂产生光生电子将 UO₂²⁺ 还原为不溶性 UO₂ [10]。构建了一种能有效抑制电荷复合的 II 型异质结，实现了 1719.12 mg/g 的铀提取容量 [11]。然而，光催化铀提取的实际效率仍受光线间歇性和有限穿透深度的制约 [12]。与上述方法相比，压电催化提供了一种可持续、低成本且高效的铀提取途径 [13]。该方法利用机械能使压电材料变形，产生交变电场和活性氧 (ROS) 用于铀提取和去除细菌 [14]。In₂Se₃@Ag₃PO₄ [15] 和 BiFeO₃@In₂Se₃ [13] 异质结被制备出来以增强电荷分离，并在超声和光照条件下显著提高了铀提取效率。目前，关于压电铀提取的大多数研究主要集中在提高催化性能上，而忽视了铀的吸附过程、实际应用中的回收需求以及抗污垢性能。

为了克服这些局限性，压电聚偏氟乙烯 (PVDF) 纤维凭借其固有的优势脱颖而出，包括坚固的机械性能、优异的化学稳定性、易于制造和可回收性，显示出铀提取的巨大潜力 [14]。PVDF 通过将机械能转化为电能来实现压电催化，其中 β 相表现出最高的压电响应。因此，通过拉伸、退火或静电纺丝提高 β 相含量是优化 PVDF 压电性能的主要策略 [16]。其中，静电纺丝是一种通过高压拉伸进行偶极子排列来提高 PVDF 中 β 相比的有效方法。然而，原生的静电纺丝 PVDF 纤维通常存在 β 相含量不足的问题，需要掺入无机纳米颗粒（例如钛酸钡、石墨烯、石墨相氮化碳 (g-C₃N₄)）以提高压电性和机械强度 [17]。其中，g-C₃N₄ 不仅能增强 PVDF 的压电性能，还具有用于铀提取的本征光催化性能，引起了广泛的研究关注。Hu 等人制备了氰基修饰的 g-C₃N₄ (g-C₃N₄-CN)，通过光催化从海水中提取铀 [18]。在实际应用中，材料在长期运行期间容易发生生物污垢，但并未研究 g-C₃N₄-CN 的抗菌性能。此外，阳光的间歇性影响光催化铀提取过程的连续性和效率。为了克服这些局限性，协同利用绿色能源（机械力和太阳能）为构建更稳定和高效的铀提取系统提供了一种有前途的策略。

在本工作中，制备了一种双驱动（机械/太阳能）复合膜，将吸附、压电和光催化功能集成为一个用于铀提取的可持续系统，并明确考虑了回收和抗污垢性能。如图 1a 所示，采用静电纺丝将 g-C₃N₄-CN 掺入 PVDF/聚乙烯吡咯烷酮 (PVP) 中，制备复合纤维膜 (PVDF/PVP/g-C₃N₄-CN (PPC))。示意图 1b 展示了 PPC 的 β 相增加和压电产生机制。PVDF 中的 β 相含量通过静电和范德华作用与 g-C₃N₄-CN 相互作用得到有效增强。PVDF 的压电性源于纤维膜弯曲引起的偶极取向排列。示意图 1c 展示了 PPC 的抗菌和铀提取效应机制。g-C₃N₄-CN 通过氰基捕获铀离子，同时光激发产生电子 - 空穴对。同时，机械力诱导 PVDF 纤维变形，在其表面产生压电场，进一步诱导 g-C₃N₄-CN 界面处形成内建电场。g-C₃N₄-CN 中的光生电子和空穴迁移到内建电场的相反电荷区域，显著提高了电荷分离效率。铀酰离子通过电子和超氧阴离子 (•O₂^?) 被还原。同时，羟基自由基 (•OH) 和单线态氧 (¹O₂) 协同作用有效去除细菌。本工作展示了一种多功能 PPC 膜，集成了选择性 U(VI) 捕获、原位还原为 UO₂、易于回收、高容量、海水适应性以及抗菌活性，用于从复杂水环境中有效提取铀。在整个工作中，“吸附”指的是铀酰离子与功能位点的结合，“还原”表示从 U(VI) 到 U(IV) 的价态变化，“沉积”描述还原铀物种的固定，“提取”用作涵盖所有这些步骤的总称，而“去除” specifically 表示液相中铀浓度的降低。

章节摘要

g-C₃N₄-CN 的合成

g-C₃N₄ 纳米片 (g-C₃N₄-NS) 通过两步热解和剥离法合成。简而言之，将尿素 (10 g) 放在覆盖铝箔的氧化铝坩埚中，在马弗炉中以 550 °C 加热 4 小时；然后将所得块状产品在 520 °C 下剥离 5 小时以获得浅色的 g-C₃N₄-NS。最后，通过固态机械化学合成制备 g-C₃N₄-CN。将 g-C₃N₄-NS (0.5 g) 和 KSCN 粉末 (0.75 g) 的混合物在玛瑙研钵中彻底研磨。该

g-C₃N₄-CN 的表征

g-C₃N₄-NS 和 g-C₃N₄-CN 的 XRD、FTIR 和 UV 表征见支持信息（图 S1–3）。

PPC 的表征

通过静电纺丝法制备 PPC，并研究了其物理和化学性质。图 1a 显示了 PPC 的 XRD 谱图。20.2°处的峰代表 PVDF β 相的 (110) 晶面 [20]。掺入 g-C₃N₄-CN 后，出现了 28.3°处的弱峰，对应于 (002) 衍射峰。结果也可以

结论

总之，我们通过静电纺丝成功制备了一种氰基功能化 PPC 纤维膜，用于从复杂水环境中高效提取铀。该膜集成了选择性 U(VI) 吸附、压电光催化还原为不溶性 U(IV) 以及便捷的回收。实验和理论分析证实，压电场增强了电荷分离并促进了 U(VI) 的还原。与先前报道的压电光催化系统不同

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益竞争或个人关系可能影响本论文报告的工作。

致谢

本研究得到 CAEA 核能发展研究项目（HNKF202215 (48)）、西南科技大学优秀人才培育基金（25zx7116、25zx7113）、国家自然科学基金（批准号 U2130125）、四川省科技厅应用基础研究项目（2026NSFSC1905、2023NSFSC1959、2023ZYD0027）以及 中央引导地方科技发展项目

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