新型光催化剂的制备及其光催化还原六价铀(Ⅵ)的性能研究

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核能作为一种清洁、高效的原子能,被认为是解决当今世界能源危机和环境污染问题最具潜力的能源之一。然而随着核工业的飞速发展,大量放射性废水的排放严重破坏生态系统、威胁人类健康。铀(U)作为核能的主要原料,成为需要最先控制的放射性污染物。光催化技术是一种新兴的高效节能绿色环保技术,利用半导体在光照条件下将可溶的U(Ⅵ)还原成不可溶U(IV),达到去除效果。然而传统的半导体存在活性位点少和催化活性低等缺陷,无法满足实际应用。因此本文通过锡(Sn)掺杂改性硫化铟(In2S3),获得催化活性更高的光催化剂。同时本研究还成功制备了更为高效的新型锡基硫氧化物(SnOS)光催化剂,通过X-射线衍射(XRD)、紫外-可见漫反射(UV-Vis DRS)等表征方法,分析两种光催化材料的形貌特征、晶体结构及禁带宽度等。探索所制备半导体光催化还原U(Ⅵ)的性能。结果如下:(1)采用水热法合成系列Sn掺杂In2S3材料。通过以上表征分析表明,Sn成功掺入In2S3晶格内,形成了独特的纳米片分层多孔结构,且比表面积增大。相比于单一的In2S3,Sn掺杂In2S3材料对U(Ⅵ)的光催化还原率均有明显的提高。其中,Sn和In的摩尔比为1:4.8时的催化剂(即Sn-In2S3)光催化还原率最高,光照40 min后去除率达到95%,其反应速率是单纯In2S3的15.60倍。多次循环利用后,Sn-In2S3结构保持稳定,铀的去除率仍能达到85%以上。Sn-In2S3催化还原率显著提升主要归因于:表面活性位点增多,可见光吸收能力更强,禁带宽度变小,电子-空穴对的复合率低。最后提出了Sn-In2S3的光催化机理。(2)采用溶剂热法制备的SnOS,不仅具有优越的铀吸附性能,而且对U(Ⅵ)的光催化还原活性也很高。SnOS对铀的吸附等温线更符合Langmuir模型,其最大吸附容量高达321.64 mg/g;吸附动力学过程更符合伪二级动力学。吸附机理包括静电吸附和表面Sn-OH官能团与金属离子的络合作用。并且当铀溶液pH为6,暗吸附时间为120min后进行光催化反应活性最高。120min的吸附和180min光催化反应结束后U(Ⅵ)的总去除率高达95%。此外,循环实验表明SnOS具有良好稳定性和再生性能。
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