一种基于铀的新型平台，通过生成羟基自由基实现太阳能驱动的染料降解

《Polyhedron》：A novel uranium-based platform for solar-light-driven dye degradation through hydroxyl radical generation

　　

摘要

本研究成功合成了一种新型铀基化合物，该化合物使用了含氮的超共轭配体，专为光降解水溶液中的有机染料而设计。通过单晶X射线衍射确定了该化合物的结构，并进一步通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、热重分析（TG）、紫外-可见光谱（UV–vis）和X射线光电子能谱（XPS）对其进行了表征。正如预期的那样，该化合物对多种染料（包括Alizarin Yellow R、Methyl Violet和Rhodamine B）表现出优异的光降解性能。此外，在连续六个反应循环后，其催化活性仍然很高，去除效率达到了97.64%。

引言

工业设施和废水造成的环境污染日益严重，这关系到所有人类[1]。为了保护环境，必须妥善处理废水中的重金属和有机化合物[2]。由于这些物质通常不可生物降解，并对生态健康构成重大威胁，因此提出了多种方法来去除废水中的有毒金属和有机染料，包括离子交换[3][4][5]、电化学方法[6][7][8]、吸附氧化[10]、生物富集[12]和浮选[13]。此外，还使用了多种材料来去除污染物，如天然纳米纤维素[14][15]、碳基材料[16][17][18]和微藻[19]。例如，Xu Meng[20]通过使用合适的共聚单体进行结构设计，开发出一种具有高吸附能力和表面积的纤维素基材料。所制备的共聚物在酸性环境（pH = 3）下表现出显著的吸附性能，并且能在紫外线照射下降解，从而避免回收过程产生的二次污染。用于染料吸附的聚合物在紫外线照射下也会降解，从而避免了回收过程引起的二次污染。Chang Sun等人[21]合成了两种吸附剂，这些吸附剂结合了电荷调制和分级多孔结构，通过将聚乙烯亚胺（PEI）接枝到掺铁的UiO-66-NH₂（Fe-UiO-66-NH₂-PEI）和原始UiO-66-NH₂（UiO-66-NH₂-PEI）上。这些材料通过静电吸引、金属配位和π-π堆叠作用协同增强了阴离子染料的捕获能力。

在这些材料中，金属有机框架（MOFs）是一个热门研究方向，因为它们具有高比表面积[22][23][24]、可调的多孔结构[25][26]，以及丰富的未饱和金属配位位点和可替换的连接基团和节点，这使得可以设计出适用于特定应用的功能性化合物[27][28][29][30][31]。通过使用特定的配体和金属来设计光催化MOFs（PMOFs），可以在光照下加速化学反应[32][33]。这些PMOFs在阳光下可以轻松降解特定的或大部分有机化合物，而无需其他能量输入[34][35][36]。通过仔细设计MOFs的孔径，可以进一步增强降解过程[37]。Xing等人使用基于三嗪的羧酸配体和铀制备了一种三维有机铀框架[38](https://doi.org/10.10021/acs.org/journals/jami/aquascl/11.008658), 该框架可以提取水溶液中的铀(VI)并吸附阳离子染料。

在本研究中，我们选择了含有三羧酸官能团的苯和吡唑作为配体[39][40]，以及铀作为金属节点，形成了一个光化学活性的铀有机框架。丰富的氮原子作为吸附和催化有害物质的活性位点，实验结果表明，该材料在处理重金属和有机染料方面表现出优异的性能。

部分摘录

材料

配体H₃BTPTA (1,3,5-(tris(1-(4-carboxyphenyl)-1H-pyrazol-3-yl))benzene)和UO₂(NO₃)₂·6H₂O由济南 hinge华科技有限公司提供，未经纯化直接使用；染料来自天津Kermal公司。所有溶剂均来自天津富宇精细化工有限公司，去离子水在实验室中制备。所有化学品均为分析级，按收到时的状态使用。

UBTPTA的制备

将等摩尔量的H₃BTPTA和UO₂(NO₃)₂·6H₂O放入一个25毫升的特氟龙内衬不锈钢容器中

晶体结构分析

选择了一个合适的UBTPTA单晶，并将其安装在配备液态镓金属喷泉源（λ = 1.34139 ?）的Bruker D8 VENTURE PHOTON II衍射仪上。数据采集时检测器距离为40毫米，每帧曝光时间为1秒。在数据采集过程中，晶体通过开放流动的液氮冷却流维持在150 K。使用SADABS软件中的多扫描半经验方法进行了吸收校正。

铀的去除

如图S11所示，该化合物的BET比表面积为47.74 m²/g，属Type IV等温线类型。此外，通过向含有1000 ppm铀的10毫升水溶液中添加不同量的UBTPTA，评估了其在铀去除方面的性能。接触24小时后，混合物被离心，上清液中的铀浓度使用ICP-MS测定。如表1（条目1）所示，吸附剂在实验过程中保持稳定

结论

在本研究中，一种含有活性氮位点的超共轭配体与铀盐反应，合成了新型的一维铀基化合物。该化合物具有两种不同的空腔结构和可访问的氮活性位点，这有助于吸附重金属和有机染料等污染物。UO₂₊中心的优异光催化活性与超共轭配体相结合，产生了协同效应，增强了光降解效果

CRediT作者贡献声明

Liang-Ting Chen：撰写——原始草案。Xiao-Liang Zhang：数据整理。Guang-Fa Hu：资源获取。Run-Min Gao：软件处理。Jian-She Zhao：资金申请。Chi-Yang Liu：实验研究。

[11], [44]

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本研究报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

国家自然科学基金（项目编号：21671157）和陕西省教育厅资助的科学研究计划（项目编号：24JK0448）以及渭南师范学院的人才项目（项目编号：2023RC08）的支持。

Liang-Ting Chen|Xiao-Liang Zhang|Guang-Fa Hu|Run-Min Gao|Jian-She Zhao|Chi-Yang Liu

渭南师范学院化学与材料科学学院，中国陕西省渭南市714099