铀、砷含氧离子与铁基纳米颗粒微界面相互作用原子尺度研究

Uranium and arsenic are ubiquitous contaminants in water affecting large number of people worldwide. Iron is the most abundant metal on earth and its interaction with uranium and arsenic is among the most important mechanisms controlling the speciation, distribution and fate of uranium and arsenic in the environment. A majority of technologies for the separation of uranium and arsenic from contaminated water are also derived from iron-based materials. Research outlined in this proposal aims to explore a cutting-edge analytical method, Aberration Corrected Scanning Transmission Electron Microscopy (Cs-STEM), which can observe on the atomic scale the reactions of selected heavy metal ions (e.g., U and As) on iron-based nanoparticles. Specific objectives include: (1) applications of Cs-STEM for probing and imaging of metal ions in nanoparticles. (2) Investigations of selected heavy metal ions on iron-based nanoparticles, especially the effect of environmental conditions. (3) Applications of the above methods and results for development of treatment/remediation technologies under complicated environmental conditions.

从复杂环境介质中除去形态复杂、浓度低且危害严重的铀、砷含氧离子，是环境科学技术领域十分关注但难于解决的环境问题。本项目拟采用球差校正扫描透射电镜，结合HAADF、STEM-XEDS、STEM-EELS、EFTEM及HR-XPS、Raman等先进表征手段，从原子尺度上研究铁基纳米颗粒与铀和砷的作用机制，确定活性位点的分布特征与调控；研究铁基纳米颗粒与铀和砷的还原/氧化反应发生的条件及调控机制，从原子尺度及三维视角深化EXAFS、XPS等研究得出的铁基纳米材料与铀、砷含氧离子及其复杂反应体系的模型；系统评估影响反应活性和稳定性的本质因素，为研制具有高效铀和砷污染治理性能的稳定铁基纳米材料提供理论和实验依据，并开拓球差校正扫描透射电镜应用于环境跨介质体系微界面过程原子尺度作用机制研究。本研究对丰富重金属离子在环境中的扩散、迁移和归趋，深化重金属污染治理微观机理，发展高效的治理方法具有重要意义。

高效去除浓度低且危害严重的铀、砷含氧离子，是环境科学领域十分关注的难题。本项目采用球差校正扫描透射电镜，结合HAADF、STEM-XEDS、STEM-EELS及HR-XPS、Raman、EXAFS等先进表征手段，确定不同重（类）金属元素氧化还原的重要固相反应区域，修正和深化基于EXAFS和XPS研究的铁基纳米材料-重金属含氧离子反应体系的模型，归纳铁基纳米材料结构与活性及稳定性调变规律及环境条件影响特征；研究铁基纳米颗粒与铀和砷的还原/氧化反应发生的条件及调控机制，对铁基纳米材料与铀和砷离子（UO22+、AsO33-、AsO43-等）反应体系进行定性定量分析。用STEM-EELS表征原子电子结构、元素价态，通过原子图像研究污染物进入纳米材料的通道和对作用区域原子排布的影响，从而获得与铀和砷含氧离子在铁基纳米材料上吸附、引发电子迁移、氧化/还原反应的理论模型。基于以上微观研究结果，通过局部结构的原子水平设计，采用调控铁基纳米颗粒与载体间的界面组成和结构，调节微区缺陷，调控界面上Fe的价态和微观电子传递通道结构，控制合成铁基纳米材料，优化纳米材料的污染物去除选择性并延长使用寿命。系统评估影响反应活性和稳定性的本质因素，为研制具有高效铀和砷污染治理性能的稳定铁基纳米材料提供理论和实验依据，并开拓球差校正扫描透射电镜应用于环境跨介质体系微界面过程原子尺度作用机制研究。采用从逐一增加到复合增加的步骤，研究水溶液中共存离子对UO22+、AsO33-、AsO43-与铁基纳米材料反应的竞争机理。用小型重金属工业污水处理的反应器模型评价结构调控和优化后铁基纳米材料的反应活性和稳定性。. 本项目取得的成果已经超过预期成果，包括发表Environ. Sci. Technol.封面论文，Environ. Sci. Technol. Lett封面论文，Adv Mater.，Environ. Sci. Nano，Chem. Eng. J.，《化学学报》封面论文等；申请中国发明专利2项。. 本项目对丰富重金属离子在环境中的扩散、迁移和归趋，深化重金属污染治理微观机理，发展高效的治理方法具有重要意义。