金属硫化物光催化分离铀

《金属硫化物光催化分离铀》系统阐述了金属硫化物基光催化材料在铀分离领域的应用与研究进展。全书从光催化分离U(Ⅵ)的基本原理出发,深入探讨了光催化还原路径、活性中间体及还原产物等关键科学问题;通过构建金属硫化物与g-C3N4、TiO2 纳米管阵列及UiO-66-NH2 等材料的异质结结构,显著提升了光催化分离铀的效率与选择性。书中详细介绍了多种异质结材料及CdS同质结材料的制备方法、微结构表征及光催化性能研究,揭示了其高效分离铀的机理。此外,本书还探讨了利用外场(如光热、压电-光协同)增强光催化分离铀的新策略,分析了当前面临的挑战与未来发展方向。本书不仅为环境修复与核废料处理提供了新思路,也为光催化技术的实际应用奠定了理论基础。
本书可供光催化技术与应用、放射性核素分离与富集、新型功能材料开发与应用等领域科研人员参考。

铀作为核能发展的关键元素，其高效、安全的分离与回收对保障国家核燃料供应、推动清洁能源体系建设具有重要意义。随着我国核能产业的快速发展，核废料处理与资源循环利用已成为国家核安全战略的重要组成部分。在这一背景下，开发高效、绿色的铀分离技术，不仅是科学研究的前沿课题，更是服务国家战略需求的
迫切任务。
东华理工大学作为我国核工业领域的重要人才培养和科学研究基地，长期致力于核资源勘探、核燃料循环与放射性废物处理等领域的研究。自建校以来，学校始终以“核特色”为引领，聚焦国家核能发展中的关键科学与技术问题，开展了一系列具有创新性和应用价值的研究工作。本书所总结的内容，正是基于著者在放射化
学与材料科学交叉领域的研究积累，围绕金属硫化物光催化还原分离铀这一主题，系统梳理了2018 年以来的科研进展与实践成果。
本书从铀的物理性质与化学性质出发，深入探讨了光催化还原U（Ⅵ）的基本原理、反应路径及影响因素，并重点介绍了多种金属硫化物基复合材料的制备、表征及其在光催化分离铀中的应用。通过对MoS2 /g-C3 N4、SnS2 /g-C3 N4、WS2 /g-C3 N4 等异质结材料的研究，揭示了其在提升光生载流子分离效率、拓宽光谱响应范围等方面的优势。此外，本书还关注了TiO2 纳米管阵列、UiO-66-NH2、CdS 同质结等功能材料与金属硫化物的协同作用，以及利用外场（如光热、压电-光协同）增强催化性能的新策略，为推动光催化技术在核废液处理中的实际应用提供了理论依据和技术支撑。
在撰写过程中，笔者始终坚持以国家需求为导向，以科技创新为驱动，力求在理论与实践的融合中探索铀分离技术的新路径。希望本书能够为相关领域的科研人员、工程技术人员以及高校师生提供有益的参考，同时也为我国核能可持续发展与核安全保障贡献一份力量。
本书由张志宾、董志敏、刘云海著，具体分工如下：第1、5、6章由张志宾编写，第2章由刘云海编写，第3、4章由董志敏编写。
谨向所有支持本研究工作的同行、团队成员以及出版单位致以诚挚的谢意！本书的出版得到东华理工大学江西省一流学科（化学）提供的经费支持。
由于水平有限，书中难免存在不足之处，恳请广大读者批评指正。

著者
东华理工大学
2025 年秋

第1章　光催化分离U（Ⅵ）概述　/　001
1.1 铀的物理性质与化学性质 002
1.2　光催化分离U（Ⅵ）的原理 004
1.2.1　光催化还原路径 005
1.2.2　光催化分离U（Ⅵ）的活性中间体 007
1.2.3　U（Ⅵ）的还原产物 008
1.3　光催化分离U（Ⅵ）的影响因素 011
1.3.1　有机物 011
1.3.2　pH值 012
1.3.3　共存离子 012
1.3.4　还原气氛 013
1.4　光催化分离铀面临的挑战 013
1.4.1　去除效率的衡量方法 013
1.4.2　环境能源利用率 014
1.4.3　经济效益 014
参考文献 015

第2章　金属硫化物/g-C3N4 异质结的制备及光催化分离U（Ⅵ）　/　017
2.1　概述 018
2.2　金属硫化物/g-C3N4 异质结 019
2.2.1　MoS2 /g-C3N4 纳米片异质结的制备 019
2.2.2　MoS2 /P-g-C3N4 异质结的制备 019
2.2.3　SnS2 /g-C3N4 纳米片异质结的制备 020
2.2.4　WS2@g-C3N4 纳米片异质结的制备 020
2.2.5　ZnS@g-C3N4 异质结的制备 021
2.3　MoS2 /g-C3N4 纳米片异质结的微结构表征及光催化分离U（Ⅵ） 022
2.3.1　MoS2 /g-C3N4 纳米片异质结的微结构表征 022
2.3.2　MoS2 /g-C3N4 纳米片异质结的光催化分离U（Ⅵ）性能 027
2.3.3　MoS2 /g-C3N4 纳米片异质结的光催化分离U（Ⅵ）机理 032
2.4　MoS2 /P-g-C3N4 异质结的微结构表征及光催化分离U（Ⅵ） 034
2.4.1　MoS2 /P-g-C3N4 异质结的微结构表征 034
2.4.2　MoS2 /P-g-C3N4 异质结的光催化分离U（Ⅵ）性能 037
2.4.3　MoS2 /P-g-C3N4 异质结的光催化分离U（Ⅵ）机理 039
2.5　SnS2 /g-C3N4 纳米片异质结的微结构表征及光催化分离U（Ⅵ） 041
2.5.1　SnS2 /g-C3N4 纳米片异质结的微结构表征 041
2.5.2　SnS2 /g-C3N4 纳米片异质结的光催化分离U（Ⅵ）性能 046
2.5.3　SnS2 /g-C3N4 纳米片异质结的光催化分离U（Ⅵ）机理 052
2.6　WS2 /g-C3N4 异质结的微结构表征及光催化分离U（Ⅵ） 056
2.6.1　WS2 /g-C3N4 异质结的微结构表征 056
2.6.2　WS2 /g-C3N4 异质结的光催化分离U（Ⅵ）性能 059
2.6.3　WS2 /g-C3N4 异质结的光催化分离U（Ⅵ）机理 062
2.7　ZnS/g-C3N4 异质结的微结构表征及光催化分离U（Ⅵ） 066
2.7.1　ZnS/g-C3N4 异质结的微结构表征 066
2.7.2　ZnS/g-C3N4 异质结的光催化分离U（Ⅵ）性能 069
2.7.3　ZnS/g-C3N4 异质结的光催化分离U（Ⅵ）机理 075
参考文献 077

第3章　金属硫化物/TiO2 纳米管阵列的制备及光催化分离U（Ⅵ）　/　083
3.1　概述 084
3.2　金属硫化物/TiO2 纳米管阵列的制备 086
3.2.1　CdS/TiO2 纳米管阵列的制备 086
3.2.2　CuS/TiO2 纳米管阵列的制备 087
3.2.3　Ag2S/TiO2 纳米管阵列的制备 088
3.3　CdS/TiO2 纳米管阵列的微结构表征及光催化分离U（Ⅵ） 089
3.3.1　CdS/TiO2 纳米管阵列的微结构表征 089
3.3.2　CdS/TiO2 纳米管阵列的光催化分离U（Ⅵ）性能 093
3.3.3　CdS/TiO2 纳米管阵列的光催化分离U（Ⅵ）机理 099
3.4　CuS/TiO2 纳米管阵列异质结的微结构表征及光催化分离U（Ⅵ） 102
3.4.1　CuS/TiO2 纳米管阵列的微结构表征 102
3.4.2　CuS/TiO2 纳米管阵列光催化分离U（Ⅵ）性能 106
3.4.3　CuS/TiO2 纳米管阵列光催化分离U（Ⅵ）机理 111
3.5　Ag2S/TiO2 纳米管阵列异质结的微结构表征及光催化分离U（Ⅵ） 115
3.5.1　Ag2S/TiO2 纳米管阵列的微结构表征 115
3.5.2　Ag2S/TiO2 纳米管阵列光催化分离U（Ⅵ）性能 119
3.5.3　Ag2S/TiO2 纳米管阵列光催化分离U（Ⅵ）机理 125
参考文献 129

第4章　CdS/UiO-66-NH2 异质结的制备及催化分离U（Ⅵ）　/　133
4.1　概述 134
4.2　CdS/UiO-66-NH2 异质结的制备 134
4.3　CdS/UiO-66-NH2 异质结的微结构表征 135
4.4　CdS/UiO-66-NH2 异质结的光催化分离U（Ⅵ）性能 140
4.5　CdS/UiO-66-NH2 异质结的光催化分离U（Ⅵ）机理 144
参考文献 150

第5章　CdS 同质结的制备及催化分离U（Ⅵ）　/　153
5.1　CdS同质生长机理 162
5.2　CdS同质结微结构表征 164
5.3　CdS同质结光催化还原U（Ⅵ）的性能 170
5.4　CdS同质结光催化机理 173
参考文献 179

第6章　外场增强金属硫化物光催化分离U（Ⅵ）　/　183
6.1　光热协同催化 184
6.1.1　光热协同催化的基本原理 184
6.1.2　光热协同催化材料的制备与表征 186
6.1.3　光热协同催化分离U（Ⅵ）性能 192
6.1.4　光热协同催化分离U（Ⅵ）机理 201
6.1.5　光热协同催化面临的挑战与未来发展方向 211
6.2　压电-光协同催化分离U（Ⅵ） 212
6.2.1　压电-光协同催化的基本原理 212
6.2.2　压电-光协同催化材料的制备与表征 213
6.2.3　压电-光协同催化分离U（Ⅵ）性能 225
6.2.4　压电-光协同催化分离U（Ⅵ）机理 233
6.2.5　压电-光协同催化面临的挑战与未来发展方向 241
参考文献 242