王宁/罗强AFM：Ni单原子协同异质结构，提高Ni-SCN@G光催化铀酰还原活性

目前，铀矿开采和核工业废水导致产生大量含铀废水，并且水环境中的铀主要以可溶性六价态铀(U(VI))化合物(铀酰离子(UO22+)或其配合物)的形式存在。

因此，开发有效和可持续的方法去除水中的U(VI)引发人们广泛关注。太阳能驱动的铀酰(VI)光还原为可溶性较低的四价铀对环境可持续性具有重要意义，然而目前对高性能半导体的研究却受到低电荷分离/迁移难题的困扰。

基于此，海南大学王宁和罗强等制备了Ni单原子锚定的S掺杂g-C3N4/RGO异质结光催化剂(Ni-SCN@G)，其能够在可见光照射下快速高效还原U(VI)。

Ni之所以被选作配位金属，主要是因为在Ni 3dx2-y2轨道上有不成对电子，有利于Ni原子与被吸附的中间体分子之间的电荷转移，并降低中间体的活化能。

研究表明，Ni单原子和异质结构的组合有助于加速催化动力学，对于含有150 ppm U(VI)的废水和海水，在仅11分钟的可见光照射下，U(VI)的去除效率达99.8%(U(VI)被有效地还原成溶解度较低的UO2状复合材料)；并且，与Ni单原子锚定的g-C3N4(Ni-SCN)和纯的g-C3N4/RGO(SCN@G)异质结相比，Ni-SCN@G的铀提取能力分别提高了1.38倍和0.51倍。

实验结果和密度泛函理论(DFT)计算表明，所制备的Ni-SCN@G对各种金属离子表现出显著的抗干扰能力，经过连续光催化实验后具有良好的回收稳定性；同时，Ni-SCN@G优异的光活性可归因于Ni单原子与异质结构的协同效应：

1.电子耦合明显促进了光生电荷的分离和迁移；

2.调节Ni单原子附近N原子的电荷状态有利于U(IV)的优先成键和活化。这些性质同时使得Ni-SCN@G降低了U(VI)还原的能垒，加速了U(VI)还原的动力学过程。

综上，该项工作阐明了Ni-SCN@G光催化剂电荷转移和U(VI)还原的机理，可能有助于促进具有超高光还原活性的单原子锚定光催化剂在铀回收和环境矫正中的应用。

Ni-Single-Atom Mediated 2D Heterostructures for Highly Efficient Uranyl Photoreduction. Advanced Functional Materials, 2023. DOI: 10.1002/adfm.202302913

转自：“萤火科研”微信公众号

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