[發明專利]鐵氰化鎳/還原氧化石墨烯雜化材料的制備方法及其在高選擇性電化學去除銫離子中的應用

有效

• 申請號: 201810291251.8
• 申請日: 2018-04-03
• 公開（公告）號: CN108562602B
• 公開（公告）日: 2021-04-13
• 發明（設計）人: 袁軍華;黃璐;金曉嵐;余帥;葉夢娜;喬俊華
• 申請（專利權）人: 浙江師范大學
• 主分類號: G01N23/2055
• 分類號: G01N23/2055;B01J39/09
• 代理公司: 新鄉市平原智匯知識產權代理事務所(普通合伙) 41139
• 代理人: 路寬

本發明公開了一種鐵氰化鎳/還原氧化石墨烯雜化材料的制備方法及其在高選擇性電化學去除銫離子中的應用，該方法通過簡單的共沉淀方法制備還原氧化石墨烯負載的鐵氰化鎳納米粒子，其中鐵氰化鎳納米粒子均勻分散在還原氧化石墨烯上，制得的鐵氰化鎳/還原氧化石墨烯雜化材料在鉀離子存在的條件下顯示出對銫離子較高的選擇性，因此能夠用作高選擇性電化學去除銫離子的電化學轉換離子交換劑。

技術領域

本發明屬于核污染處理及選擇性吸附材料的合成技術領域，具體涉及一種鐵氰化鎳/還原氧化石墨烯雜化材料的制備方法及其在高選擇性電化學去除銫離子中的應用。

背景技術

由于全球氣候的變暖，能源結構需要革新和優化，而作為化石燃料的無碳替代選擇項，核能已經被各國廣泛采用。作為一種重要能源，核能已經占據世界能源的5.7%和世界電力的13%。但核電站的運行會產生大量具有高放射性的廢料，這些廢料中大量的放射性同位素，如因地震或人為錯誤造成的事故而釋放到環境中，會導致生態災難。在這些放射性同位素中，銫137是廢料中的主要放射性組分，半衰期長（30.4年），衰變產生的γ-射線強，嚴重威脅人類的健康。另外，銫鹽在水中溶解度高，可以通過地下水迅速遷移進入生物圈。此外，銫的性質與鉀和鈉相同，容易被陸生和水生生物所吸收，通過食物鏈富集在人體體內的組織和器官上。而且，銫137可以通過空氣中灰塵傳播，進而污染食品和飲用水。長期暴露在高劑量的銫137下，最壞的情況之一是會患上甲狀腺癌。因此，考慮到核污染的危險，放射性銫應該從核廢料中被高效選擇性去除出去。

近年來，很多策略用于去除核廢料廢水中的銫137，比如蒸發、溶劑萃取、團聚沉淀、離子交換、微過濾和膜工程等。由于離子交換法在消除銫137的方法簡便、效率高且選擇性好，因而在這些技術中脫穎而出。無機離子交換劑，如沸石鈦酸鈉、硅鈦酸和雜多酸等，由于其較高的熱穩定性以及與最終核廢物型體相容，已經被用于核廢水的處理中。然而，利用現階段的離子交換技術去除銫137將會產生大量二次核廢料。為了盡量減少二次核廢料，將離子交換技術與電化學方法相結合以用于從核廢料廢水中選擇性可逆的分離出銫137。在這種電化學轉換離子交換過程中，離子的富集或分離可以通過調控電極界面上氧化還原反應來控制，以維持電中性。

過去十幾年，過渡金屬鐵氰化物作為離子交換劑已經被廣泛用于放射性銫的去除。它的沸石狀的立方網絡結構能提供較大的空隙以容納堿金屬離子。并不是所有水合堿金屬離子能在這些金屬鐵氰化物骨架的孔洞里擴散。比如鋰離子和鈉離子，由于其水合離子體積大而很難進入金屬鐵氰化物晶格里。因此，金屬鐵氰化物對銫137的分離和去除顯示較高的選擇性。另外，這些金屬有機結構中心的鐵具有很高電化學可逆性，其氧化還原反應過程伴隨著離子交換以維持電中性。

然而，純金屬鐵氰化物作為電化學轉換離子交換在銫137的去除中效率不高，這是因為其導電性低、穩定性差和表面積不高。一種可行的解決方案是在金屬鐵氰化物電化學轉換離子交換劑中引入碳載體，這些碳載體能夠充當納米電極以傳遞電子。另外，引入碳載體的優點在于它能改善金屬鐵氰化物納米粒子的分散性，避免金屬鐵氰化物納米粒子從電極表面脫離。

在碳材料中，作為一種只有單原子厚的碳載體，石墨烯價格低、導電性好及比表面積大，引起人們的極大興趣。在聚乙烯吡咯烷酮存在條件下，可以通過原位共沉淀方法制備鐵氰化鎳/還原氧化石墨烯雜化材料。實驗顯示，鐵氰化鎳納米粒子均勻分散在還原氧化石墨烯上，其粒徑大小為60nm。所制備的氰化鎳/還原氧化石墨烯雜化材料可以用于銫137的分離。與純的鐵氰化鎳相比，鐵氰化鎳/還原氧化石墨烯雜化材料在銫的去除方面選擇性和效率更高。另外，在銫離子溶液中，鐵氰化鎳/還原氧化石墨烯雜化材料的電化學轉換離子交換穩定性更高。正由于其出色的銫離子去除性能，鐵氰化鎳/還原氧化石墨烯雜化材料作為一種先進的電化學轉換離子交換劑有望在工業級核廢料廢液處理中得到應用。本專利申請受到浙江省公益基金項目（No.2016C33011）和浙江省自然基金項目（No.Y17B030005）支持。

發明內容