一种用于光催化海水提铀的水凝胶膜的制备方法

本发明涉及光催化海水提铀材料，尤其涉及一种用于光催化海水提铀的水凝胶膜的制备方法。

背景技术：

1、光催化方法能够直接利用无穷无尽的太阳光高效、高选择性地驱动可溶的u(vi)还原为难溶态u(iv)，进而实现水体中铀的分离和提取。例如一种用于海水淡化-提铀联产光热光催化膜及其制备方法(cn114931862b)、一种高分散性c3n4基海水提铀复合材料及其制备方法（cn115228500a）、一种海水提铀偕胺肟基环化聚丙烯腈材料的制备方法（cn202210754446.8）、一种海水淡化-提铀联产半导体光还原膜及其制备方法（cn202210598986.1）、乙二胺包覆硫碲化镉纳米带光催化剂的制备及放射性废水中铀的分离方法(cn202110245812)、一种光催化铀捕获二维片状半导体及其制备方法(cn202210754425)、一种铀还原分离的ag掺杂cdse纳米片光催化材料的制备及应用(cn202110775914)以及用于光催化还原铀的介孔二氧化钛光催化剂的制备及应用(cn202211301548)等专利均涉及此项内容。

2、光催化技术多利用太阳能和半导体等材料实现氧化还原反应，具有操作简单、成本低廉、环境友好等优点，已在污染物降解、分解水制氢和重金属去除等领域展现出广阔的应用前景。近年来，u(vi)的非均相光催化也日益受到国内外学者的广泛关注，而且高性能催化剂的研发和创制始终是关键。

3、石墨相氮化碳具有优异稳定性、能带可调、制备简单和成本低廉等特性，在海水提铀催化剂及含铀废水处理方面展现良好的应用潜力。然而，石墨相氮化碳自身存在本征活性位点少、光生电子和空穴复合严重、比表面积小、可见光利用效率低等缺点，需要通过元素掺杂、引入缺陷和构筑异质结等手段来进一步优化其能带结构和增强光催化反应活性。再者，光催化在实际海水提铀应用过程中，依旧面临着诸多技术瓶颈和挑战，例如海水中碳酸（氢）根和溶解氧对u(vi)光催化还原的严重抑制、粉末状催化剂难以分离回收、易损耗且易泄漏到环境造成二次污染。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种高效、经济的用于光催化海水提铀的水凝胶膜的制备方法。

2、为解决上述问题，本发明所述的一种用于光催化海水提铀的水凝胶膜的制备方法，包括以下步骤：

3、⑴合成羧基化介孔氮化碳：

4、将氰胺和sio2纳米颗粒分散液混合均匀后，得到混合物a，该混合物a于70℃搅拌反应12h，所得反应产物在氩气氛、于550℃高温活化4h，冷却后研磨得到活化产物；所述活化产物分散在浓度为3~4m氟化氢氨水溶液中搅拌反应24h，经乙醇洗涤、真空冷冻干燥12h后得到介孔氮化碳；所述介孔氮化碳分散在5m硝酸水溶液中，于125℃回流反应12~24h后，所得产物依次经离心、洗涤以及真空冷冻干燥，即得羧基化介孔氮化碳；

5、⑵制备羧基化介孔氮化碳/硫化镉复合材料：

6、将所述羧基化介孔氮化碳超声分散在去离子水中，即得固含量为1~2%的羧基化介孔氮化碳悬浮液；所述羧基化介孔氮化碳悬浮液中依次加入葡萄糖和硝酸镉并搅拌4h，再加入巯基乙酸，持续搅拌1h得到混合物b；所述混合物b于170~190℃水热反应2h，所得反应产物经无水乙醇洗涤、冷冻干燥，即得硫化镉负载量为20~30%的羧基化介孔氮化碳/硫化镉复合材料；所述羧基化介孔氮化碳：葡萄糖：巯基乙酸的质量比为1：2：6；

7、⑶自由基聚合法制备羧基化介孔氮化碳/硫化镉复合凝胶薄膜：

8、所述羧基化介孔氮化碳/硫化镉复合材料超声分散在由质量比为45：3：1：0.015的水、丙烯酰胺、二甲基乙酰胺和n,n-亚甲基双丙烯酰胺组成的混合溶液中，并4000rpm以上高速搅拌得到均一悬浮液；所述均一悬浮液注入到两块玻璃板之间，经光照产生自由基诱导单体共聚，完全凝胶化后即得羧基化介孔氮化碳/硫化镉复合凝胶薄膜。

9、所述步骤⑴中sio2纳米颗粒分散液中sio2纳米颗粒粒径为11~13nm，质量浓度为40%。

10、所述步骤⑴中混合物a中氰胺质量浓度为10%。

11、所述步骤⑴中氰胺和sio2质量比为1：0.3~1：0.6。

12、所述步骤⑴中高温活化的升温速率控制在2~5℃/min。

13、所述步骤⑴中活化产物与氟化氢氨水溶液的质量体积比为1：20。

14、所述步骤⑴中介孔氮化碳与硝酸水溶液的固液质量体积比为1：40~1：50。

15、所述步骤⑶中羧基化介孔氮化碳/硫化镉复合材料在均一悬浮液中的质量分数为10~20%。

16、所述步骤⑶中二甲基乙酰胺预先过中性氧化铝树脂去除阻聚剂。

17、本发明与现有技术相比具有以下优点：

18、1、本发明通过在石墨相氮化碳材料中依次引入丰富介孔、表面修饰羧基、与硫化镉耦合以及光引发自由基聚合成膜等组合工艺，成功构筑了羧基化介孔氮化碳/硫化镉复合凝胶薄膜，其在不加牺牲剂、空气氛围及海水中等多种工况下对u(vi)均保持较为理想的光催化还原效率和反应选择性，实现海水中u(vi)的高效和快速提取，助推光催化技术在海水铀资源规模化分离、富集领域的高值应用。

19、2、本发明制备的羧基化介孔氮化碳/硫化镉复合凝胶薄膜具备良好的机械延展性（如图2所示）、循环使用性能和抑菌/杀菌性能等综合性能，不但从根本上解决了粉状催化剂难以分离回收、易损耗和潜在环境污染等实际应用难题，而且同步解决复合凝胶薄膜在实际应用过程中存在的其他技术难题（如催化剂易受生物污损）奠定了基础，为复合凝胶薄膜在海水提铀应用提供了多维度技术支撑。

20、3、本发明通过系统光催化机理研究和制备工艺优化，选用稳定、廉价、易得的石墨相氮化碳和硫化镉作为基础材料，并利用光引发自由基聚合可控性构筑了羧基化介孔氮化碳/硫化镉复合凝胶薄膜；该复合凝胶薄膜直接利用太阳光高效、高选择性地驱动u(vi)还原和分离回收，为海水提铀技术发展提供了一条高效、经济、绿色的新途径，具有良好的应用前景和社会效益。

技术特征：

1.一种用于光催化海水提铀的水凝胶膜的制备方法，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述一种用于光催化海水提铀的水凝胶膜的制备方法，其特征在于：所述步骤⑴中sio2纳米颗粒分散液中sio2纳米颗粒粒径为11~13nm，质量浓度为40%。

3.如权利要求1所述一种用于光催化海水提铀的水凝胶膜的制备方法，其特征在于：所述步骤⑴中混合物a中氰胺质量浓度为10%。

4.如权利要求1所述一种用于光催化海水提铀的水凝胶膜的制备方法，其特征在于：所述步骤⑴中氰胺和sio2质量比为1：0.3~1：0.6。

5.如权利要求1所述一种用于光催化海水提铀的水凝胶膜的制备方法，其特征在于：所述步骤⑴中高温活化的升温速率控制在2~5℃/min。

6.如权利要求1所述一种用于光催化海水提铀的水凝胶膜的制备方法，其特征在于：所述步骤⑴中活化产物与氟化氢氨水溶液的质量体积比为1：20。

7.如权利要求1所述一种用于光催化海水提铀的水凝胶膜的制备方法，其特征在于：所述步骤⑴中介孔氮化碳与硝酸水溶液的固液质量体积比为1：40~1：50。

8.如权利要求1所述一种用于光催化海水提铀的水凝胶膜的制备方法，其特征在于：所述步骤⑶中羧基化介孔氮化碳/硫化镉复合材料在均一悬浮液中的质量分数为10~20%。

9.如权利要求1所述一种用于光催化海水提铀的水凝胶膜的制备方法，其特征在于：所述步骤⑶中二甲基乙酰胺预先过中性氧化铝树脂去除阻聚剂。

技术总结
本发明涉及一种用于光催化海水提铀的水凝胶膜的制备方法，包括以下步骤：⑴合成羧基化介孔氮化碳；⑵制备羧基化介孔氮化碳/硫化镉复合材料；⑶自由基聚合法制备羧基化介孔氮化碳/硫化镉复合凝胶薄膜：羧基化介孔氮化碳/硫化镉复合材料超声分散在由水、丙烯酰胺、二甲基乙酰胺和N,N‑亚甲基双丙烯酰胺组成的混合溶液中，高速搅拌得到均一悬浮液；均一悬浮液注入到两块玻璃板之间，经光照产生自由基诱导单体共聚，完全凝胶化后即得羧基化介孔氮化碳/硫化镉复合凝胶薄膜。本发明羧基化介孔氮化碳/硫化镉复合凝胶薄膜具有优异的光催化还原性能、高稳定性、循环使用性能和抑/杀菌性能等综合使用性能，有助于其在海水提铀领域实现工业化应用和推广。

技术研发人员：范桥辉,李平,王晶晶,丁哲,张文涛,梁建军
受保护的技术使用者：中国科学院西北生态环境资源研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/2/29