亲水性壳聚糖阴极在自驱动光电催化系统中能够实现高效的铀提取和磺胺甲噁唑降解

《Journal of Colloid and Interface Science》：A hydrophilic chitosan cathode enables efficient uranium extraction and sulfamethoxazole degradation in a self-driven photoelectrocatalytic system

　　

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  通过一步水热法制备了一种环保型CS/CF催化剂。
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  丰富的NH₂和OH基团提高了亲水性和选择性UO₂²⁺的吸附能力。
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  CSPEC催化剂实现了99.5%的U(VI)去除率和97.8%的SMX降解率。
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  在模拟阳光下，系统可实现高达1.95?mW·cm^?2的最大功率密度。
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  该系统表现出优异的环境鲁棒性、通用性和可重复使用性。

引言

随着核能产业的快速发展，铀已成为核反应堆的主要燃料。因此，在铀的提取、加工和使用过程中不可避免会产生大量含铀废水[1]。这些废水不仅含有高毒性和放射性的铀酰离子（UO₂²⁺），还经常受到有机污染物（包括抗生素、农药和工业化学品）的污染，形成复杂的复合污染体系[2], [3], [4]。传统的铀去除技术（如吸附[5], [6]、化学沉淀[7]和离子交换[8]）在有机污染物存在的情况下效率较低，这是因为竞争性吸附以及铀与有机污染物形成稳定的复合物[8], [9]。因此，开发能够同时高效回收铀并深度降解有机污染物的技术是放射性废水处理中的一个关键挑战。

近年来，自驱动光电催化系统（PECs）因其独特的“污染物驱动”机制而受到广泛关注[10], [11]。在这种系统中，光阳极捕获阳光产生电子-空穴对；光生空穴直接攻击有机污染物，而电子则通过外部电路传递到阴极，在那里将UO₂²⁺转化为难溶形式[12]。这使得无需外部能量输入即可实现污染物的协同去除和能量的回收。然而，PECs的整体效率在很大程度上取决于阴极的性能。理想的阴极材料必须具有高导电性、强吸附能力和优异的催化活性，以促进UO₂²⁺的选择性还原。目前的研究主要集中在改性碳基材料（如掺氮碳或金属有机框架衍生物）[13], [14]，但仍存在高制备成本和有限环境可持续性等挑战需要解决。

基于此，本研究提出了一种采用壳聚糖作为阴极的自驱动光电催化系统（CSPEC系统）。该系统由TiO₂纳米棒阵列（TNR）光阳极与背面硅太阳能电池（SSC）组成。在光照下，TNR生成h⁺或·OH用于有机污染物的降解[23], [24]，而SSC捕获传输的光线产生偏压，将电子从TNR传输到基于壳聚糖的阴极，同时实现电力生成[25]。该系统旨在突破传统阴极材料的局限，利用壳聚糖的绿色吸附-催化双重功能特点，实现UO₂²⁺的选择性还原和有机污染物的完全矿化。这项研究为处理含铀有机复合废水提供了一种高效且可持续的策略，同时也为天然聚合物材料在能源与环境领域的创新应用开辟了新的方向。

章节摘录

材料与方法

本研究中使用的化学试剂、材料及表征方法的详细信息可在补充信息Text 1和Text 2中找到。此外，所有实验仅使用了化学试剂和合成溶液，未涉及动物或人类受试者。

CS/CF阴极的表征

壳聚糖（CS）通过一步水热法加载到碳毡（CF）上（图1a），颜色从黑色变为浅灰色（图S8）。这种改性显著提高了亲水性（图1b和S9）。接触角从CF的133°降至CS/CF-120的106°，而CS/CF-140和CS/CF-160的接触角迅速降至0°，在0.01?秒内达到完全润湿。低接触角和快速渗透过程有助于UO₂²⁺的扩散

结论

总结来说，我们开发了一种自驱动光电催化系统，使用壳聚糖改性的碳毡阴极（CS/CF-140），实现了放射性废水中UO₂²⁺的回收、SMX的降解以及电力的生成。该系统实现了99.5%的UO₂²⁺去除率和97.8%的SMX降解率，动力学常数分别为0.178和0.107?min^?1，分别是原始CF阴极的20.4倍和11.9倍。系统的最大功率密度达到了1.95?mW/cm²

CRediT作者贡献声明

陈艳林：撰写——原始稿件、可视化、软件、方法学、数据整理。何斌生：可视化、软件、数据整理。尚雷：可视化、调查、数据整理。张庆燕：方法学、调查、数据整理。曾青毅：撰写——审稿与编辑、验证、监督、项目管理、资金获取、数据分析、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（-->52170083）、湖南省自然科学基金（-->2026JJ20046, -->2022RC1125）的支持。

陈艳林|何斌生|尚雷|张庆燕|曾青毅