利用BaTiO3/g-C3N4异质结光催化去除六价铀（U(VI)）及其作用机理研究——并提升效率

《Environmental Research》：Photocatalytic Removal and Mechanistic Investigation of U(VI) Using BaTiO3/g-C3N4 Heterojunctions with Enhanced Efficiency

　　

魏鹏 | 何显才 | 李江刚 | 陈显林 | 陈仲生 | 黄国林

东华理工大学，南昌 330013，中国

摘要

随着核能的广泛部署，铀污染——特别是六价铀（U(VI）——对水生系统构成了日益严重的威胁。光催化还原作为一种绿色和可持续的环境修复策略应运而生。然而，实现高光催化效率和有效利用太阳能仍然是一个重大挑战。在这项研究中，通过简单的水热方法合成了系列具有合理带对齐的BaTiO₃/g-C₃N₄（BTO/CN）II型异质结光催化剂，并评估了不同BTO/CN比例对U(VI)去除效率的影响。在测试的所有组合物中，BaTiO₃/g-C₃N₄-4表现出最高的光催化性能，在可见光照射20分钟内实现了96.2%的U(VI)去除效率——显著优于单独组分和其他复合比例。优化的异质结有效调节了电子能带结构，促进了光生电子-空穴（e^--h⁺）对的有效分离。此外，异质结界面与BaTiO₃固有的铁电性能之间的协同效应显著抑制了载流子复合，并扩展了可见光吸收范围，从而大幅提高了系统的整体光催化效率。BaTiO₃/g-C₃N₄异质结的合理设计为开发高效铀修复光催化剂提供了一种有前途的策略和坚实的实验基础。

引言

随着社会经济的快速发展，全球能源消耗和需求急剧增加。作为应对措施，核能越来越被许多国家视为传统燃煤发电的可行替代方案（Wang等人，2023年）。然而，铀的开采、提取和利用过程中不可避免地会产生大量含有六价铀（U(VI)）的废水（Wang等人，2022a年），这对生态系统和人类健康构成了重大威胁。因此，从水环境中有效分离和富集U(VI)已成为核废水处理领域的一个紧迫挑战（Zhang等人，2025a年；Zhang等人，2025b年）。

传统的U(VI)修复技术——包括吸附（Wu等人，2025年；Wu等人，2026年）、膜过滤（Liu等人，2021年）、化学沉淀（Velasco等人，2021年）和溶剂萃取（Paramanik等人，2018年）——存在高能耗、低操作效率以及二次污染风险等固有缺陷。作为一种有前景的绿色技术，光催化技术在操作条件温和、环保和能耗低方面具有优势（Jamjoum等人，2021年；Zhao等人，2019年），并在去除多种水污染物方面展现了巨大潜力（Long等人，2020年；Zhu等人，2023年）。光催化还原利用半导体光催化剂在光照下产生光诱导的电子（e^-）和空穴（h⁺），从而高效地将可溶性U(VI)转化为不溶性U(IV)，从而促进铀的去除和固定（Liu等人，2024b年）。异质结构建在通过促进光能的有效利用和加快化学反应速度方面发挥着关键作用；因此，筛选和合理设计适当的异质结结构一直是该研究领域的核心焦点。BaTiO₃（BTO）（Liu等人，2024a年），作为一种典型的钙钛矿型多金属氧化物（Panthi和Park，2022年），具有出色的介电、铁电和压电性能。其导带和价带（VB）位置对光催化水分解反应非常有利（Ray等人，2021b年）。然而，BTO的带隙较宽（约3.2 eV），限制了其对紫外光的吸收（仅约5%的太阳光谱），并且其光生载流子的高复合率极大地影响了其光催化效率（Hojamberdiev等人，2023年；Ray等人，2021a年）。相比之下，g-C₃N₄（CN）（Hayat等人，2024年）是一种无金属的聚合物半导体，带隙约为2.7 eV（Zhang等人，2024b年），由于其高比表面积（Ping等人，2021年）、优异的可见光响应性和优良的化学稳定性（Xia等人，2024年；Fu等人，2017年），在光催化研究中受到了广泛关注。它可以通过尿素、三聚氰胺和二氰胺等低成本前体通过简单的热缩合方法合成，并在可见光照射下表现出显著的光催化活性（Chao，2020年）。重要的是，BTO和CN都是环境友好的材料，具有良好的带结构，使其成为构建高效异质结光催化剂的理想候选材料（Feng等人，2022年）。BTO/CN异质结的形成（Kappadan等人，2021年；Zhou等人，2023年）可以显著扩展光吸收范围，通过BTO的固有铁电极化促进载流子的定向迁移，有效抑制电子-空穴（e^--h⁺复合，从而提高整体光催化性能（Xian等人，2015年）。此外，异质界面的带弯曲和内部电场有助于载流子的分离和迁移，为高效光催化还原水中的U(VI)污染物提供了一种新策略（Zhang等人，2024a年）。尽管BTO和CN已经分别得到了广泛研究，但BTO/CN异质结在U(VI)光催化去除中的应用仍处于起步阶段。全面理解光催化机制并结合材料结构的合理设计对于推进高效技术以减轻水环境中的铀污染至关重要（Xiao等人，2025年）。

虽然BTO/CN异质结在理论上是优秀的异质结配置，但以往关于BTO/CN复合材料的研究主要集中在有机污染物（如罗丹明、亚甲基蓝和抗生素）的降解上，而其在六价铀光催化还原中的应用研究相对较少。因此，本研究旨在探索BTO/CN异质结的合成、表征及其在水中去除U(VI)的光催化性能。本文旨在阐明异质结结构对光催化活性的影响机制，为开发高效、稳定的铀提取光催化系统提供理论见解和技术指导。

章节片段

材料

硝酸铀 [UO₂(NO₃)₂·6H₂O》来自上海阿拉丁生化科技有限公司，二氧化钛 [TiO₂]来自南京宝凯特新材料有限公司，氢氧化钡 [Ba(OH)₂·8H₂O]来自山东科源生化科技有限公司，十二烷基苯磺酸钠 [C₁₈H₂₉NaO₃S]来自天津凯米奥化学试剂有限公司，三聚氰胺（C₃H₆N₆）、甲醇（CH₄OH）、乙醇（C₂H₅OH）、氢氧化钠（NaOH）和盐酸（HCl）均来自西兰化工有限公司。所有这些试剂均

BTO/CN的表征

为了研究BTO、CN和BTO/CN样品的晶体结构和官能团组成，进行了X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析。在图1a中，CN的XRD图谱在大约27.3°处显示出一个宽的衍射峰，对应于（002）晶格面。该峰的宽度表明其结晶度低且结构无序，这是非晶态石墨相CN的特征。

可能的光催化机制

根据上述综合实验结果和材料表征，BTO/CN异质结通过构建II型带对齐并利用BTO的铁电性能，有效增强了U(VI)的光催化还原。这种协同配置显著抑制了电子（e^-）和空穴（h⁺的复合，从而促进了有效的电荷分离和转移。在图11中，在可见光照射下，BTO和CN都被光激发

结论

在这项研究中，构建并使用了一系列BTO/CN-x异质结光催化剂，用于高效光催化还原和去除水溶液中的U(VI)。通过全面的物理化学表征，阐明了增强光催化活性的根本原因及其相应的反应机制。关键在于BTO和CN之间可调的组成比例，这使得两种材料的协同作用得以实现。

CRediT作者贡献声明

何显才：撰写——原始草稿。魏鹏：撰写——审阅与编辑、撰写——原始草稿、可视化、验证、概念化。陈显林：撰写——原始草稿。李江刚：撰写——原始草稿。黄国林：撰写——审阅与编辑、撰写——原始草稿、验证、监督、方法学、资金获取、数据管理、概念化。陈仲生：撰写——审阅与编辑、撰写——原始草稿、验证、概念化

数据可用性

数据可应要求提供。

作者声明本研究在任何可能被视为潜在利益冲突的商业或财务关系下进行。

资助

本项目得到了国家自然科学基金（编号22176032）的财政支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报道工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本项目得到了国家自然科学基金（编号22176032）的财政支持。