《Journal of Environmental Management》：Electro-trapping uranium(VI) by ternary phosphate-functionalized polymer / molybdenum disulfide / pod shell-derived biochar composite electrode
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铀污染废水电化学去除新策略：本研究通过碳化豆壳制备孔隙生物炭，结合水热生长法制备MoS?纳米片，并引入磷酸化聚合物PPN构建PC/MoS?-PPN复合电极。该电极在pH 4.5、1.2V条件下实现U(VI)电吸附容量407.64 mg/g，较未修饰电极提升176%，电荷转移电阻降至1.4Ω，其高效电吸附源于双电子层形成及P-O/P=O基团与硫空位的协同络合作用，为铀污染废水处理提供了创新解决方案。
黄东庆|王云|王洋|叶启东|李阳|江浩|杜彦军|刘艳|袁鼎中|罗贤平
华东理工大学铀资源勘探-开采与核遥感国家重点实验室，中国江西省南昌市330013
摘要
从放射性废液中高效分离并回收铀对于保护生态系统和支持核能技术的长期可行性至关重要。电吸附方法因其能源效率和环境友好性而备受关注。本研究合成了新型的磷酸基功能化多孔有机聚合物/二硫化钼/生物炭（PC/MoS?-PPN）复合电极，该电极通过豆荚壳的碳化、二硫化钼（MoS?）的水热生长以及随后引入的磷酸化聚合物来增强对六价铀（U(VI)的电吸附性能。所得PC/MoS?-PPN电极表现出显著提高的比电容（39.19 F/g）和低电荷转移电阻（1.4 Ω）。在最佳条件下（pH = 4.5，施加电压 = 1.2 V），该电极显示出优异的电吸附能力（407.64 mg/g），远超过未功能化的PC/MoS?（147.15 mg/g）。电吸附过程遵循朗缪尔模型和伪二级模型，经过五次循环后，去除效率仍保持在86.27%。PC/MoS?-PPN电极对U(VI)的高效捕获不仅归因于双层的形成，还归因于P-O/P=O基团和MoS?-PPN电极上硫空位的配位作用。这项工作为通过电化学方法从废水中去除U(VI)提供了一种创新且可扩展的途径。
引言
作为一种低碳能源，核能在改善生态环境和促进可持续发展方面发挥着重要作用（Deka等人，2025年）。然而，无论是核能发电还是铀矿开采，都会产生大量含铀废水。铀是一种天然存在的放射性元素，具有高毒性和放射性，对人类健康和生态系统稳定性构成严重威胁（Kong等人，2020年；Pan等人，2021年）。因此，探索高效且经济可行的铀污染废水处理技术具有重要意义。
铀主要以六价铀（U(VI)的形式存在，其特定的配位化学性质使得提取和分离过程成为一项重大技术挑战（Liao等人，2018年）。目前，含铀废水处理方法包括离子交换（Nascimento等人，2004年）、微生物修复（Sun等人，2023年）、化学沉淀（Xie等人，2020年）、膜分离（Zhang等人，2023年）、光催化（Chen等人，2023年）、吸附（Zuo等人，2024年）、电吸附（Chen等人，2025年；Huang等人，2022年；Yang等人，2023年）等传统方法。电吸附方法相比其他方法具有许多独特优势。特别是电容去离子化（CDI）具有低化学试剂消耗、高选择性和即使在低离子浓度下也能保持优异的性能（Liu等人，2024b年）。电吸附的优异吸附效率主要取决于电极材料的选择，近年来，活性炭（Boussouga等人，2024年）、碳纤维（Xu等人，2000年）、碳纳米管和石墨烯（Ren等人，2025年）已被广泛用于U(VI)的电吸附提取。然而，现有基于碳的材料在工业规模应用中受到高成本和有限电吸附容量及效率的制约（Qi等人，2021年；Sun等人，2022年）。因此，设计具有优异电吸附性能的经济型电极至关重要。
近年来，生物炭材料因其高碳含量（Mohanty等人，2024年）、环境友好性和低成本（Dai等人，2019年）而受到广泛关注。研究表明，天然生物质可以通过高温碳化转化为高导电性的碳基材料（Celiktas和Alptekin，2019年），从而提高电极的导电性。目前，已合成并应用于电吸附研究的生物炭来自不同的可再生天然生物质资源，如莲藕茎（Wang等人，2023年）、柚子皮（Tang等人，2021年）和棉花（Y. Wang等人，2025年）。豆荚壳是一种常见的农业废弃物，占原材料质量的35-40%（Pathak等人，2016年），由于其多孔结构和高纤维素/木质素含量（62–68%），作为高质量生物炭的前体具有巨大潜力（De Paula Protásio等人，2022年）。然而，生物炭通常具有较低的能量密度和有限的电化学活性位点，作为电极材料使用时存在若干缺点。
将二硫化钼（MoS?）与豆荚壳生物炭结合可能是提高生物炭电极捕获U(VI)能力的最有效措施之一。MoS?是一种类似石墨烯的无机半导体材料，具有独特的二维堆叠结构，在比表面积方面具有显著优势（Han等人，2019年）。Hamza等人（Shehzad等人，2024年）使用N/P共掺杂的多孔生物炭作为基底开发了一种MoS?功能化复合材料，其超级电容器电极显示出300.66 mg/g的饱和铀电吸附容量。尽管生物炭/MoS?异质结构表现出显著的界面动力学、高效的电子传输和有利的电吸附性能，但其对U(VI)的选择性电吸附能力仍受到活性位点选择性和低电吸附容量的限制（Chen等人，2021年）。此外，引入聚合物通常会导致孔堵塞效应，从而降低比表面积和孔体积。大多数三元复合材料仅简单组合了不同的功能组分，未能精确控制孔结构或特定活性位点，这常常导致孔堵塞或活性位点暴露不足的问题，使得难以同时提高电吸附容量和电吸附动力学性能（D. Wang等人，2025年）。基于此，引入含有磷酸基团（PPN）的功能化多层多孔聚合物可能弥补MoS?的这一缺陷。因为所开发的多层多孔结构允许铀酰离子快速传输，而大量的磷酸基团作为吸附位点提供了对U(VI)的强吸引力，从而实现快速高效的去除率（Liu等人，2024a）。
在本研究中，使用活化后的豆荚壳废弃物作为生物质制备了多孔生物炭（PC），然后通过原位水热生长将MoS?纳米片固定在PC的碳框架中。随后引入PPN，构建了用于捕获U(VI)的三元磷酸基功能化聚合物/MoS?/豆荚壳衍生生物炭（PC/MoS?-PPN）复合电极。因此，通过多种表征方法系统评估了PC/MoS?-PPN电极的物理化学和电化学性质，并通过一系列电吸附实验研究了其对U(VI)的电吸附能力。
部分摘录
PC/MoS?-PPN的合成
本研究使用的化学品详细信息见支持信息（SI）的第S1节。图1a展示了PC/MoS?-PPN电极的合成过程。首先，将豆荚壳废弃物用去离子水冲洗，并以1:3的质量比浸入1 mol/L的KOH中2小时。之后，再次用去离子水冲洗并浸泡24小时。研磨后，将所得豆荚壳粉末在管式炉中于480°C下热解2小时。反应完成后，黑色豆荚壳...
材料表征
关于表征方法的详细信息见SI的第S4节。图1b和c显示了PC/MoS?和PC/MoS?-PPN的SEM形态。对于PC/MoS?，PC表面均匀地被MoS?包裹，两者通过范德华力和主要共价键结合形成稳定的异质结构。在MoS?内部还观察到一些薄而光滑的纳米片。
结论
本研究通过将富含磷酸基团的多孔聚合物引入MoS?/PC中，成功合成了PC/MoS?-PPN复合电极。该合成过程结合了利用农业废弃物豆荚壳进行碳化、通过水热方法自组装MoS?以及使用自由粘合剂制备复合电极的优点。PC/MoS?-PPN电极表现出更高的比电容、更低的阻抗和更多的磷酸基团。
CRediT作者贡献声明
黄东庆：撰写——原始草稿，研究。王云：撰写——审阅与编辑。王洋：方法学。叶启东：形式分析。李阳：方法学，数据管理。江浩：项目管理。杜彦军：验证。刘艳：软件。袁鼎中：方法学，概念化。罗贤平：撰写——审阅与编辑。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（22366003和22466003）、铀资源勘探-开采与核遥感国家重点实验室（2025QZ-YZZ-01）、江西省自然科学基金（20232BAB213032和20242BAB26037）以及江西省重点学科学术和技术带头人（20232BCJ223017）的财政支持。
