酞菁铜基共价有机框架高效捕获放射性碘的实验和理论研究

来源 :华北电力大学(北京) | 被引量 : 0次 | 上传用户:fzyfmm
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作为一种清洁高效的可持续能源,核能的发展对于满足能源需求、解决环境污染问题具有重要意义。放射性碘(129I和131I)是核废料中最典型、最有害的放射性废物之一。因此探索用于捕获核废料中放射性碘的高效材料,对核能的发展和生态环境的保护至关重要。共价有机框架(COFs)因其具有可预先设计和功能化的骨架结构而成为一种十分有前景的吸附剂。然而,目前大多数COFs都是通过溶剂热法合成的,需在高温下保持很长时间。因此,实现COFs材料的大规模快速制备仍然是一个巨大的挑战。在这项工作中,我们合成了三种酞菁铜基共价有机框架材料(CuxPc-COFs),并将其应用于对碘蒸气和碘溶液的静态批示吸附实验,结合实验结果和密度泛函理论(DFT)计算分析了CuxPc-COFs与碘的相互作用机理。具体工作如下:(1)在温和、高效的微波辐射法的辅助下,我们选择单一的有机配体(1,2,4,5-四氰基苯(TCNB))和CuCl2·2H2O,在15分钟内快速制备了大量酞菁铜基二维共轭 COFs 材料(即 Cu0.5Pc-COF、Cu0.25Pc-COF 和 Cu0.125Pc-COF)。令人感到振奋的是,用该方法合成CuxPc-COFs的产率超过80%。此外,采用一系列表征技术(如 PXRD、FT-IR、SEM、HRTEM、TGA 等)研究了 CuxPc-COFs 的结构和理化性质。结合实验和理论分析,CuxPc-COFs是一种典型的AA堆叠二维层状晶体材料。特别的是,CuxPc-COFs具有良好的热稳定性,进一步揭示了其在放射性碘蒸气处理中的应用潜力。(2)系统地研究了CuxPc-COFs对挥发性碘的吸附性能。结果表明,合成的CuxPc-COFs对挥发性碘具有很好的吸附能力,Cu0.5Pc-COF、Cu0.25Pc-COF和Cu0.125Pc-COF的相关吸附容量分别为2.66、2.99和2.40g/g。不仅如此,我们从吸附动力学和吸附容量两方面进一步研究了 Cu0.25Pc-COF对环己烷溶液中碘的吸附行为。可以发现,Cu0.25Pc-COF对溶液中的碘也表现出很好的吸附能力(492.27mg/g)。此外,动力学数据与拟二级动力学模型拟合较好,表明化学吸附是吸附过程的速控步骤。(3)基于光谱分析和DFT计算,这一显著的吸附性能可归因于三种相互作用机制:ⅰ)亚胺键上的氮原子/富电子π-共轭体系与碘分子之间的电荷转移作用;ⅱ)Cu-N4结构与聚碘阴离子(Ix-)的静电相互作用;ⅲ)微量的氧化还原反应(CuI)。本文提出了 CuxPc-COFs的合成方案,为COFs材料的大规模生产提供了参考价值。同时,CuxPc-COFs对碘的相互作用机制不仅为后续设计和开发高效放射性碘吸附剂提供了新思路,而且为探索和分析COFs捕获放射性碘的理论奠定了基础。
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