目前，鈾礦開采和核工業(yè)廢水導(dǎo)致產(chǎn)生大量含鈾廢水，并且水環(huán)境中的鈾主要以可溶性六價態(tài)鈾(U(VI))化合物(鈾酰離子(UO22+)或其配合物)的形式存在。因此，開發(fā)有效和可持續(xù)的方法去除水中的U(VI)引發(fā)人們廣泛關(guān)注。太陽能驅(qū)動的鈾酰(VI)光還原為可溶性較低的四價鈾對環(huán)境可持續(xù)性具有重要意義，然而目前對高性能半導(dǎo)體的研究卻受到低電荷分離/遷移難題的困擾。
基于此，海南大學(xué)王寧和羅強等制備了Ni單原子錨定的S摻雜g-C3N4/RGO異質(zhì)結(jié)光催化劑(Ni-SCN@G)，其能夠在可見光照射下快速高效還原U(VI)。Ni之所以被選作配位金屬，主要是因為在Ni 3dx2-y2軌道上有不成對電子，有利于Ni原子與被吸附的中間體分子之間的電荷轉(zhuǎn)移，并降低中間體的活化能。研究表明，Ni單原子和異質(zhì)結(jié)構(gòu)的組合有助于加速催化動力學(xué)，對于含有150 ppm U(VI)的廢水和海水，在僅11分鐘的可見光照射下，U(VI)的去除效率達(dá)99.8%(U(VI)被有效地還原成溶解度較低的UO2狀復(fù)合材料)；并且，與Ni單原子錨定的g-C3N4(Ni-SCN)和純的g-C3N4/RGO(SCN@G)異質(zhì)結(jié)相比，Ni-SCN@G的鈾提取能力分別提高了1.38倍和0.51倍。實驗結(jié)果和密度泛函理論(DFT)計算表明，所制備的Ni-SCN@G對各種金屬離子表現(xiàn)出顯著的抗干擾能力，經(jīng)過連續(xù)光催化實驗后具有良好的回收穩(wěn)定性；同時，Ni-SCN@G優(yōu)異的光活性可歸因于Ni單原子與異質(zhì)結(jié)構(gòu)的協(xié)同效應(yīng)：1. 電子耦合明顯促進(jìn)了光生電荷的分離和遷移；2. 調(diào)節(jié)Ni單原子附近N原子的電荷狀態(tài)有利于U(IV)的優(yōu)先成鍵和活化。這些性質(zhì)同時使得Ni-SCN@G降低了U(VI)還原的能壘，加速了U(VI)還原的動力學(xué)過程。綜上，該項工作闡明了Ni-SCN@G光催化劑電荷轉(zhuǎn)移和U(VI)還原的機理，可能有助于促進(jìn)具有超高光還原活性的單原子錨定光催化劑在鈾回收和環(huán)境矯正中的應(yīng)用。Ni-Single-Atom Mediated 2D Heterostructures for Highly Efficient Uranyl Photoreduction. Advanced Functional Materials, 2023. DOI: 10.1002/adfm.202302913
