Adv. Funct. Mater.：智能光子晶體水凝膠材料用于水溶液中鈾酰離子的監測和移除

【引言】

鈾酰離子(UO₂²⁺)為鈾常見存在形式，廣泛存在于土壤、水溶液中等。鈾本身具有強放射性和化學毒性，可引發人體組織功能受損，危害人體健康。因此，UO₂²⁺污染是一個嚴重的環境問題，而UO₂²⁺的吸附和監測是目前解決UO₂²⁺污染的主要手段。另外，制備實現在線監測吸附程度和UO₂²⁺濃度的吸附材料是當下主要的挑戰。本文制備了一種智能型光子晶體水凝膠材料，能夠在線監測和吸附UO₂²⁺，并且在實際應用中具有較好的效果。

【成果簡介】

近期，湖南大學吳朝陽教授（通訊作者）等人在Adv. Funct. Mater.上以題為 “Smart Photonic Crystal Hydrogel Material for Uranyl Ion Monitoring and Removal in Water”，發表了近期課題組的研究成果。本文研究了智能型光子晶體水凝膠材料在UO₂²⁺吸附和檢測方面的應用。通過UO₂²⁺與多種配體的官能團的結合作用，進而引發光子晶體水凝膠材料的衍射峰波長藍移，實現了對UO₂²⁺的吸附和濃度檢測，并且可以通過裸眼觀察其顏色變化來判斷UO₂²⁺的濃度。本文所采用的光子晶體水凝膠(PCH)材料對UO₂²⁺的最低檢測濃度為10 nM，最大吸附量在298K時達到了169.67 mmol/kg。為這類材料在實際水中UO₂²⁺的檢測提供了新的思路。

【圖文導讀】

圖1 PCH材料對UO₂²⁺的檢測和移除過程示意圖

PCH材料可實現對UO₂²⁺的吸附和檢測，并且具有循環使用性。

圖2 PCH材料形貌表征

(A) PCH材料的表面形貌；

(B) PCH材料不同層次之間的形貌。

圖3 PCH材料吸附UO₂²⁺的衍射光譜圖

(a) PCH材料在不存在UO₂²⁺時的衍射光譜圖；

(b) PCH材料在UO₂²⁺濃度為0.3 mM時的衍射譜圖；插圖分別為其對應的光學圖片。

圖4 PCH材料在鈾酰離子吸附方面的光學手段表征

(A) PCH和UO₂²⁺處理過的PCH材料的XPS全譜圖；

(B) (a)不含SiO2的PCH材料紅外光譜圖，(b) UO₂²⁺處理過不含SiO₂的PCH材料紅外光譜圖，(c)醋酸鈾的紅外光譜圖。

圖5 PCH材料對UO₂²⁺的檢測

(a) PCH材料在不同濃度UO₂²⁺時的光學圖片(a-l濃度依次為0, 0.01，0.05, 0.1, 1, 10，20，30, 50，100, 200和300 μM，樣品體積為0.5 mL)；

(b) PCH材料在不同濃度UO₂²⁺時的衍射光譜圖；

(c) 衍射峰波長變化值與UO₂²⁺濃度的擬合曲線圖。

圖6 PCH材料對UO₂²⁺的特異性

PCH材料對UO₂²⁺的特異性檢測，所有的離子濃度都是30 μM，反應在10 mM的MES中進行。

圖7 PCH材料吸附UO₂²⁺的動力學研究

PCH材料在初始濃度為1 mM的UO₂²⁺中的吸附動力學研究，(0.05g PCH材料，10 mL UO22+溶液)，圖中插圖a為吸附之前，b為吸附8 h后的照片。

圖8 PCH材料的再生使用性

PCH材料對100 μM UO₂²⁺的吸附可逆性，圖中表現出6次循環后對UO₂²⁺吸附效率仍可達到94.75%。

【小結】

本文通過結合光子晶體的指示功能與功能化水凝膠的吸附性能成功的發展了一種智能光子晶體水凝膠材料，用于同時監控和去除UO₂²⁺。相比于其他的材料，PCH材料不僅具有較高的靈敏度、良好的選擇性和較高的吸附容量，并且可以用于實時監測UO₂²⁺濃度。同時，由于智能光子晶體水凝膠的衍射峰位于可見光范圍內，可以實現溶液中UO₂²⁺的可視化檢測。由此看來，PCH材料將來有望用于核廢水中鈾離子的檢測和移除。

通訊作者簡介：吳朝陽教授，2006年聘為化學系教授，2011年度“教育部新世紀優秀人才支持計劃”獲得者。在生物傳感技術、傳感檢測儀器、食品安全、環境檢測等領域進行了多方面積累,尤其在免疫、酶、核酸等生物傳感技術領域進行了較深入的研究，并取得了系列的研究成果。主持完成了多項國家自然科學基金、國家科技計劃項目等的研究工作。目前研究方向主要為基于液晶和光子晶體等的智能光學材料以及相關化學生物傳感研究。

文獻鏈接: Smart Photonic Crystal Hydrogel Material for Uranyl Ion Monitoring and Removal in Water (Adv. Funct. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adfm.201702147)

本文由材料人編輯部高分子組點點編譯，吳朝陽教授團隊審核。

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