氧化石墨烯-亚铁相互作用对U(VI)和Se(IV)还原固定的机理研究

Graphene oxide (GO) which can effectively enrich radionuclides from water due to the abundant surface functional groups like hydroxyl and carboxyl, has potential application prospects in the treatment of radioactive pollution. In previous research, it was found that GO exhibited strong interaction with Fe(II) which is widely present in anoxic environment, generating reactive iron species with high reactivity, including adsorbed Fe(II), green rust and magnetite, which can rapidly reduce U(VI) and Se(IV). However, the synergistic interaction mechanism of reduction of radionuclides in GO-Fe(II) system is not clear. Therefore, this project aims to study the synergistic mechanism of the reductive sequestration of U(VI) and Se(IV) via GO-Fe(II) interaction in environmental relevant conditions. The effect of contact time, pH on the reduction kinetics of U(VI) and Se(IV) will be studied. Furthermore, the microstructure of reaction products under different conditions, and species change of iron like the valence, the combined and bound state will be analyzed mainly by means of X-ray absorption fine structure (XAFS) and Mössbauer spectroscopy (MBS) investigation. The formation, transformation of reactive iron species at the GO-Fe(II) interface and in the reduction mechanism of radionuclides will be revealed from a molecular level. The expected results will provide a theoretical guidance for better development of new principles and technologies for the remediation of radioactive contamination using Fe(II) and graphene oxide.

氧化石墨烯(GO)表面含有大量羟基、羧基等官能团，可以有效富集放射性核素，在放射性污染治理中具有潜在的应用前景。近年来研究发现，GO能够与广泛存在缺氧环境中的亚铁相互作用，进而在GO上生成吸附态Fe(II)、绿锈或磁铁矿等有较高反应性能的活性铁物种，能快速还原并固定U(VI)和Se(IV)，而对GO-亚铁还原放射性核素的作用机制不明确。为此，本项目拟研究在环境相关条件下GO-亚铁相互作用对U(VI)和Se(IV)的还原固定，考察接触时间、pH对还原动力学的影响，进一步借助X射线吸收精细结构(XAFS)、穆斯堡尔谱(MBS)等分析不同条件下反应产物的微观结构，及铁的价态、化合态和结合态等赋存形态变化规律，从分子水平揭示在GO-亚铁界面活性铁物种的形成规律、转化机制及还原固定放射性核素的协同作用机理这一关键科学问题。预期成果为更好地发展应用GO-亚铁修复放射性污染的新原理和新技术提供理论依据。

本项目主要结合批量实验、DFT理论计算、柱实验和现代谱学手段(如XPS、XAFS和MBS)等研究方法，围绕在环境相关条件下氧化石墨烯-亚铁相互作用对U(VI)、Se(IV)等放射性核素的还原固定及微观机制展开研究。经过四年深入而系统的研究，在项目组成员的共同努力下，较好完成了既定的研究目标，获得了一些有价值的研究结果。利用DFT计算获得了Fe(II)、U(VI)、Se(IV)等在氧化石墨烯上的不同吸附形态和吸附能变化规律。明确了在不同条件下GO-Fe(II)相互作用生成的结合态Fe(II)、NZVI-GO及GO/FeS等活性铁物种对U(VI)、Se(IV)等放射性核素的还原固定及作用机制，探明了pH、反应时间、共存有机质等因素对放射性核素还原固定的影响，确定了放射性核素还原产物的价态、结合形态等结构信息，和不同条件下铁的化合态和结合态等变化及对放射性核素还原的影响，揭示了在氧化石墨烯-亚铁界面活性铁物种的形成、转化及还原固定放射性核素的作用机理，为发展应用GO-Fe(II)原位修复放射性污染的新技术提供了理论指导。此外，本项目还探讨了新型MOFs、p-BN和g-C3N4及其FeS复合材料对重金属和放射性核素的去除，初探了这些材料对重金属和放射性核素吸附-还原能力的差异及不同环境条件下的作用机理，这些研究成果为构筑高效修复放射性污染的新型功能材料提供了重要的科学依据。在本项目支持下，项目负责人或项目组成员作为第一或通讯作者在Environmental International, Chemical Engineering Journal, Journal of Environmental Sciences, Journal of Environmental Chemical Engineering, Colloids and Surfaces A, Journal of Molecular Liquids等著名SCI期刊上发表11篇相关研究论文，包括第一标注5篇和第二标注5篇，11篇论文有中科院一、二区9篇，研究结果得到国内外同行的关注。项目负责人获得了“浙江省高校领军人才培养计划”高层次拔尖人才称号。此外，项目负责人或项目组成员作为指导老师指导学生获得全国大学生生命科学创新创业大赛金奖、浙江省大学生环境生态科技创新大赛二等奖等省级以上各类学科竞赛奖项10多项。