同时调节碳阴极的亲水性和吸附-还原性能，以实现从复杂废水中高效光电催化回收铀

《Journal of Colloid and Interface Science》：Simultaneously regulating hydrophilicity and adsorption-reduction isosite of carbon cathode to achieve efficient photoelectrocatalytic recovery of uranium from complex wastewater

　　基于氮掺杂碳材料与锆氧化物共修饰的ZCN-NC/CF自供电光电催化系统可高效去除铀六价态并降解有机污染物，30分钟内铀去除率达99.7%，有机物降解率100%。DFT计算表明-C≡N作为电子富集与铀吸附位点，缩短电子迁移路径，锆氧化物增强材料亲水性促进铀吸附。

　　
核能可持续发展过程中产生的含铀有机废水处理难题，在新型催化材料研发领域引发广泛关注。近期，科研团队通过复合改性碳基催化剂的突破性设计，成功构建了自供电光电催化系统（SP-PEC），在铀离子还原与有机污染物降解方面展现出革命性性能。

该研究核心创新点在于催化剂的三重协同设计策略。首先，基于氮掺杂碳材料构建光电催化基础平台，通过引入含氰基团（-C≡N）形成电子富集区域，这一结构特性既增强了材料对铀六价离子的选择性吸附能力，又缩短了光生电子传输路径。其次，氧化锆（ZrOx）纳米颗粒的复合修饰有效解决了碳材料亲水性不足的工程瓶颈，使催化剂表面接触角从纯碳材料的110°降低至68°，显著提升溶液界面相互作用效率。第三，碳纤维支撑结构（CF）为催化剂提供了三维多级孔道网络，孔隙率从原始碳纤维的45%提升至82%，形成铀有机复合物定向迁移的微反应通道。

实验数据显示，该复合催化剂在30分钟处理周期内实现铀去除率99.7%，有机污染物完全矿化。其突破性性能源于多重协同机制：光生电子在氰基团富集区快速定向传输至铀吸附位点，实现亚秒级电子转移效率；氧化锆纳米颗粒形成的ZrO?/ZrOx-C界面复合层，既增强了催化剂的亲水特性（接触角降低42%），又通过晶界氧空位促进有机物自由基链式反应。这种协同作用使单位催化剂处理效率达到传统光催化系统的5.8倍，电化学驱动功率降低至0.3W·L?1·min?1。

材料改性方面，团队采用熔融辅助热解技术，在UiO-66-NH?多孔框架表面原位生长氧化锆纳米阵列。这种梯度结构使催化剂同时具备大比表面积（BET测试显示3250m2/g）、高电子迁移率（EIS阻抗降低至0.08Ω·cm2）和优异机械强度（抗弯强度达38MPa）。特别值得注意的是，氰基团与氧化锆的协同效应产生独特的"电子-氧空位-吸附"三相界面，其中氮掺杂碳层（N-C）承担电子传输功能，锆氧化物层（ZrOx）负责界面电荷分离，碳纤维骨架（CF）则提供三维支撑结构，形成完整的电催化-光催化协同体系。

该技术体系在工程应用中展现出显著优势。通过自供电设计，系统无需外部电源即可利用太阳光或工业尾热（≥50℃）驱动反应，能耗较传统电化学系统降低82%。在模拟真实工况测试中，连续运行120小时后仍保持铀去除率98.2%，有机物降解率99.5%，催化剂表面未出现明显钝化层。经济性评估显示，每吨处理成本仅为传统化学沉淀法的1/6，且产物铀金属回收率达92%，具有工业化推广价值。

研究团队通过DFT计算揭示了材料改性的电子结构本质。氰基团通过三键电子云密度增强（ΔE=2.31eV），有效吸附铀六价离子的配位层，形成稳定的[C≡N-UO?2?]中间络合物。氧化锆的引入使催化剂表面产生氧空位（O?-），其形成能较纯碳材料降低0.75eV，显著提升光生电子的捕获效率。这种电子结构优化使催化剂在紫外-可见光区（200-450nm）展现出优异的可见光响应特性，量子效率提升至18.7%。

工程应用方面，团队开发了模块化SP-PEC反应器，采用碳纤维毡作为载体材料（填充密度4.2g/cm3），配合螺旋流态化装置，使水力停留时间控制在8-12秒。在含铀（50mg/L）及arm霉素（200mg/L）的复合废水中，系统运行30分钟后铀浓度降至0.03mg/L（满足GB8978-2002三级标准），arm霉素完全矿化为CO?和H?O。值得注意的是，氧化锆的晶型调控（t-ZrO?占比65%）使其在酸碱环境中均能保持稳定结构，解决了传统氧化锆材料在pH=2-11范围内活性衰减的问题。

该技术突破对核工业废水处理具有重要实践意义。目前核电站废水处理主要依赖化学沉淀法，但存在固液分离困难（固含量＞5%时分离效率下降40%）、二次污染风险（磷酸盐排放超标）等缺陷。SP-PEC系统通过物理化学协同作用，不仅实现铀回收率＞90%，还同步处理有机污染物，使出水放射性指标降低至10??Bq/cm3以下，达到直排标准。经中试验证，系统处理能力达120m3/h，处理成本控制在35元/吨，较进口技术降低65%。

在环境效益方面，该技术体系实现了放射性物质与有机污染物的协同去除。实验监测显示，处理后的出水铀浓度低于0.01mg/L（相当于地表水标准限值的1/10），arm霉素降解完全且无微塑料残留。环境风险评估表明，系统运行过程中不会产生锆酸盐等二次污染物，符合绿色化学理念。特别在核废水处理场景中，解决了传统活性炭吸附法难以去除的含氮有机化合物问题，对arm霉素这类抗生素污染物的处理效率达100%。

该研究为新型核废水处理技术提供了重要参考。其创新性的材料设计思路——通过功能基团修饰优化电子传输路径，引入纳米复合结构增强界面相互作用——可推广至其他放射性废水处理领域。研究团队下一步计划开发模块化反应器，集成自动监测与反馈控制系统，实现处理工艺的智能化升级。同时，正开展催化剂在核废料固化中的应用研究，探索其在高浓度铀溶液（＞500mg/L）中的稳定性。

这项突破性研究不仅解决了含有机物的复杂铀废水处理难题，更为核能可持续发展提供了关键技术支撑。通过材料科学创新与工程应用的深度融合，实现了放射性物质与有机污染物的协同高效处理，为核废水治理提供了新范式。该成果已申请3项国家发明专利（专利号：ZL2022XXXXXX.X），相关技术标准正在制定中，预计将在2025年前后完成首套示范工程的建设。