日期：
来源：高分子科学前沿收集编辑：高分子科学前沿
核能是一种高效能源，可以大规模持续提供电力，具有极高的能量密度和超低的温室气体排放量。陆地上已探明的铀资源十分有限，只能满足几十年的核能需求。获取铀资源对于核能的可持续发展至关重要。海洋蕴藏着丰富的铀资源，但海洋生物污染和铀的低浓度使得从海水中提取铀面临着巨大的挑战。由于铀吸附在大多数情况下是吸热的，从热力学考虑，通过光热转换转化的热量会增加吸附容量。随着温度升高，网络结构中的离子传输将大大改善。将光热转化引入吸附结构以增强离子传输对于应对从海水中吸附铀的挑战非常有意义。在使用高铀亲和基团选择性吸附铀的基础上，在不增加额外能量消耗的情况下实现外场改进的铀捕获非常具有吸引力。基于此，中科院理化所闻利平研究员、肖红艳副研究员团队在《Advanced Functional Materials》发文，报道了一种基于环保生物质吸附材料的具有3D 离子传输网络的太阳能集热器，该材料包含抗菌吸附配体和光热氧化石墨烯。通过简单的一步反应实现的抗菌能力和光热转换引起的快速传质共同提高了水凝胶的原始吸附容量46.7%，与天然海水接触14天后达到9.18 mg g−1。本研究为物理场增强水凝胶吸附剂的设计提供了一种通用策略。
图 1. BPG-GLACS的合成、GO-BPG-GLACS水凝胶和抗GO-BPG-GLACS水凝胶的制备和表征。基于氧化石墨烯的功能性壳聚糖水凝胶（GO-BPG-GLACS水凝胶，简称水凝胶）分两步制备：首先，壳聚糖（CS）与草甘膦（BPG）通过一步缩合反应合成BPG-CS；然后，与氧化石墨烯 (GO) 分散体混合的BPG-CS颗粒经历了凝胶化过程，水凝胶的制造过程如图 1a 所示。随后，GO-BPG-GLACS 水凝胶通过典型的一步季铵盐反应获得抗菌活性，产物经反复洗涤、干燥得到抗菌的GO-BPG-GLACS水凝胶（简称Anti-hydrogel）。图 2. 一倍模拟太阳光照射下加铀水溶液的吸附性能；抗水凝胶的EXAFS 分析和DFT研究。相对于其他水凝胶吸附剂乃至大多数其他铀吸附材料，反水凝胶具有惊人的铀吸附能力和铀吸附速率。如图2a所示，GO-BPG-GLACS水凝胶在8、16、32 ppm加标水中浸泡1次模拟日光照射85 h后，GO-BPG-GLACS水凝胶的饱和铀吸附量分别达到383、448,和599 mg g−1。如图2b所示，拟合结果表明Langmuir模型（R2 = 0.999）很好地描述了平衡等温线实验数据。预测的饱和吸附量可达 662 mg g-1，接近32 ppm初始铀浓度下qe实验值（599 mg g-1）。pH值是一个外部环境因素，可以显着影响水凝胶吸附剂的铀吸附性能。许多研究证实，pH值通过改变铀的种类和吸附官能团的电离度来影响吸附剂的吸附能力。水凝胶在pH = 8（接近天然海水的 pH 值）下继续表现出出色的铀吸附能力。在 pH=8 时，在模拟阳光照射36小时后，铀吸附容量达到374mgg-1，这使得水凝胶有望用于从海水中提取铀。水凝胶的铀洗脱效率在第一个吸附-解吸循环中为96%。七次循环后，再生水凝胶的铀吸附容量仍保持在350 mg g-1，洗脱效率为 94%。高可回收性和稳定的铀吸附能力表明我们的抗水凝胶具有突出的铀吸附可重复使用性，这意味着它可以长期吸附在海水环境中，很好地满足实际应用的要求。通过 DFT 的理论计算预测的吸附结构也与EXAFS的实验结果非常匹配。铀吸附实验是通过将5 mg的抗水凝胶浸入500 mL掺有铀的海水中进行的，有或没有1个太阳模拟阳光照射。记录了吸附剂在铀吸附前后的 X 射线光电子能谱图，以确认吸附成功，并研究了反水凝胶的元素组成和化学状态。在模拟阳光照射下浸入8 ppm U加标水中85小时后，饱和铀吸附容量达到 253 mg g-1，比未光照对照组高54%。1倍模拟太阳光照射，热力学饱和吸附量较高，动力学吸附速率较快。为了深入了解太阳能光热转换对铀提取行为的影响，我们研究了吸附剂在不同水温下的铀吸附动力学。铀的平衡吸附量随着水温的升高而增加，表明水凝胶吸附过程是吸热的，这与其他磷酸盐基吸附剂的热力学行为相似。氧化石墨烯具有很好的光热性能和热导率。此外，氧化石墨烯可以很容易地大规模获得。GO的光热转换效率高，在水凝胶形成过程中易于掺杂。本工作利用海水提铀过程中太阳光照射的自然条件，通过引入光热转换材料来提高海水提铀的吸附效率是非常有效和可行的。反水凝胶吸附剂在海水中的红外图像显示，在图3d中，经过120秒的光照射后，表面温度可以从26 °C 达到 45 °C，表明添加到水凝胶中的GO实现了相当高的光热转换效率。可以看出电流在很短的时间内就稳定下来，证明了水凝胶具有高效快速的光热转换性能。图 4. 抗菌活性及其对吸附能力的影响；以及在天然海水中的吸附性能。为了评估抗水凝胶的抗菌活性，在37°C的Luria broth中共同培养了抗水凝胶（经过紫外线灭菌）和来自不同物种的三种细菌菌株，浓度为4 mg mL−1。选择了金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和铜绿假单胞菌作为测试细菌，因为这三种细菌在海洋中分布广泛且具有代表性。图4a所示的指示细菌的抗菌能力表明抗水凝胶可以很好地抑制细菌菌株的生长。此外，对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和铜绿假单胞菌的抑制率为99.9%、99.9%和99.2%。为了证明抗菌活性可以提高天然海水中铀的吸附能力，在1倍模拟阳光照射或未模拟阳光照射下，进行了过滤和未过滤天然海水中水凝胶的铀吸附动力学。如图 4b 所示，在过滤海水中通过抗菌活性仅增加了8.3%的铀吸附能力。然而，在未过滤的海水中通过抗菌活性获得了42.5%的铀吸附能力增加。同时，没有抗菌活性的水凝胶在未过滤的海水中表现出低吸附能力。如图 4c 所示，抗水凝胶在与天然海水接触14天后，在天然海水中表现出9.2 mg g-1的优异吸附能力，通过光模拟大大提高了这一点。综上所述，该水凝胶具有较为理想的吸附分子结构，并通过光热转化得到较大改善。总之，综合考虑吸附剂的抗菌能力和光热转化效果，成功制备了基于氧化石墨烯的功能性壳聚糖水凝胶，并将其应用于天然海水中的铀吸附。对铀具有高亲和力的磷酸基团为从海水中选择性和高效地吸附铀提供了基础。一方面，GO的光热转化作用提高了吸附剂的温度，使提铀的吸热过程更加彻底，从而大大提高了提铀能力。另一方面，添加的盐使吸附剂具有抗菌性，有效破坏了占据吸附位点的海洋细菌，保证了吸附剂在天然海水中的铀吸附能力。本工作制备的氧化石墨烯杂化功能生物质水凝胶可实现高吸附容量、选择性、吸附速率和循环容量。经过14天的吸附，抗水凝胶最终在天然海水中实现了9.2 mg g−1的吸附。本研究开发的构建水凝胶吸附剂的合理设计策略有望提高铀回收性能并减少海水提铀的生物污染。--纤维素推荐--
--测试服务--
--荐号--
声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！