一种高性能单中心铀基负载催化剂的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高性能单中心铀基负载催化剂的制备方法，步骤包括：利用氮掺杂石墨烯、氧化石墨烯和还原氧化石墨烯吸附模拟核废液中的铀酰离子，制备带有不同配位环境的U

【技术实现步骤摘要】
一种高性能单中心铀基负载催化剂的制备方法


[0001]本专利技术涉及铀核废液处理材料领域，特别是涉及一种高性能单中心铀基负载催化剂的制备方法。

技术介绍

[0002]随着核能需求的不断增长，核燃料生产、核电厂运行、核设施退役等过程都将产生大量含铀核废液。目前，中国工程物理研究院、核工业西南物理研究院等单位都在围绕铀资源开展大量的科研和生产工作，这些单位产生的核废液中含有大量的贫铀。在核废液中，铀放射性强、半衰期长、生物与化学毒性大，极易随地表水和地下水迁移至生物圈，对生态环境及人类正常生命活动造成重大的危害。目前填埋是处理铀的主要方法，但是该处理方法不仅具有填埋材料分解的安全隐患，还造成了大量贫铀的浪费。如何有效提取核废液中的贫铀，并实现其再利用，是核能利用的重要课题。在铀化学中，铀能形成亲电配合物，对呈惰性的底物(如氮气等)有很高的反应活性。哈柏(Haber)和博施(Bosch)发现，在利用氮气合成氨的过程中，铀作为催化剂比铁活性更高。因此，核废液中的贫铀有望成为电化学合成氨的高效催化剂的制备原料。在铀基催化剂中，负载的单原子铀具有原子利用率高、配位数低等优势，是高效电化学合成氨催化剂的理想选择。因此，从核废液中提取铀，并将其制备成单中心铀基负载催化剂，实现高性能电催化合成氨反应，有望实现贫铀资源的再利用。

技术实现思路

[0003]针对上述问题，本专利技术提供了一种高性能单中心铀基负载催化剂的制备方法，通过氮掺杂石墨烯、氧化石墨烯和还原氧化石墨烯吸附模拟核废液中的铀酰离子，制得了单中心铀基负载催化剂，可用于对核废液中贫铀资源的回收再利用。
[0004]本专利技术的技术方案如下：
[0005]一种高性能单中心铀基负载催化剂的制备方法，通过氮掺杂石墨烯、氧化石墨烯和还原氧化石墨烯吸附模拟核废液中的铀酰离子来制备单中心铀基负载催化剂，包括以下步骤：
[0006]S1、以石墨烯为原料，氧化制备氧化石墨烯，并配置氧化石墨烯的GO分散液；
[0007]S2、采用水热法，以GO分散液和尿素为原料制备氮掺杂石墨烯，并由GO分散液制备还原氧化石墨烯；
[0008]S3、将制得的氮掺杂石墨烯、氧化石墨烯和还原氧化石墨烯加入铀溶液中，采用吸附
‑
快速电还原法制得单中心铀基负载催化剂。
[0009]本专利技术利用氮掺杂石墨烯、氧化石墨烯和还原氧化石墨烯吸附模拟核废液中的铀酰离子，制备有着不同配位环境的U
‑
N键、U
‑
O键和U
‑
C键的铀基负载材料；在快速电还原过程中，使用短脉冲还原电流，对铀基负载材料进行电还原，将吸附的六价铀还原固定成低价态，增强单中心铀
‑
载体之间的相互作用。
[0010]在进一步的技术方案中，步骤S1中，制备氧化石墨烯的方法如下：
[0011]S11、取石墨粉加入到含有K2S2O8和P2O5的浓H2SO4中，80℃下加热6h后冷却至室温，蒸馏水稀释，抽滤，水洗至滤液为中性，空气中干燥，制得预氧化石墨烯；
[0012]S12、冰浴条件下，取上述得到的预氧化石墨烯加入到冰的浓H2SO4溶液中，小心缓慢加入KMnO4，35℃下搅拌2h；
[0013]S13、加入蒸馏水稀释，之后，在15min内继续加入蒸馏水和30％的H2O2，趁热过滤；
[0014]S14、依次用HCl和蒸馏水洗涤至滤液为中性，空气中干燥，即制得氧化石墨烯。
[0015]在进一步的技术方案中，步骤S1中，配置氧化石墨烯的GO分散液的方法如下：
[0016]将干燥的氧化石墨烯于搅拌条件下加入到蒸馏水中，超声3h，4000r/min下离心30min，分离上层清液，即制得GO分散液。
[0017]在进一步的技术方案中，步骤S11中，石墨粉、K2S2O8和P2O5的质量比为：
[0018]石墨粉：K2S2O8：P2O5＝2：1：1。
[0019]在进一步的技术方案中，步骤S2中，制备氮掺杂石墨烯的方法如下：
[0020]取制备得到的GO分散液，加入尿素，磁力搅拌30min后，将所得溶液转入水热反应釜中，160℃反应3h后自然冷却，得到黑色固体，离心洗涤10次后冷冻干燥，制得氮掺杂石墨烯。
[0021]在进一步的技术方案中，GO分散液与尿素的质量比为：
[0022]GO分散液：尿素＝1：5
‑
50。
[0023]在进一步的技术方案中，步骤S2中，制备还原氧化石墨烯的方法如下：
[0024]将GO分散液直接在160℃下水热反应3h，洗涤、冷冻干燥后，即制得还原氧化石墨烯。
[0025]在进一步的技术方案中，步骤S3中，制备单中心铀基负载催化剂的方法如下：
[0026]S31、配置铀溶液，将所制备的氮掺杂石墨烯、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯加入铀溶液中，超声溶解，并搅拌4h
‑
6h，得到反应混合物；
[0027]S32、对上述反应混合物进行离心，并用去离子水和乙醇洗涤数次，置于60℃真空干燥后收集，得到单中心铀基负载催化剂；
[0028]S33、将原始的GO分散液作为对照组，对干燥得到后的材料进行刷片，其刷片过程为：按30％
‑
40％的比例取制得的样品和炭黑，并取Nafion溶液(5wt％)分散在体积比为3:1的水
‑
乙醇溶液中，超声1h形成均匀墨水，然后用刷子将分散溶液刷在碳纸上或滴在5mm的玻碳电极上，然后干燥过夜，备用。
[0029]在进一步的技术方案中，步骤S31中，铀与GO分散液的质量比为：5％
‑
25％。
[0030]本专利技术的有益效果是：
[0031]本专利技术制备的单中心铀基负载催化剂材料，其能够在模拟含铀核废液中电催化还原U(VI)，并将其制备成单中心铀基负载催化剂，实现了贫铀资源的再利用。
附图说明
[0032]图1是本专利技术实施例所述U
‑
GO的球差电镜图(单原子铀)；
[0033]图2是本专利技术实施例所述U
‑
GO在E＝
‑
0.3(V vs.RHE)电势下的产氨量图；
[0034]图3是本专利技术实施例所述U
‑
GO的稳定性图。
具体实施方式
[0035]下面结合附图对本专利技术的实施例作进一步说明。
[0036]实施例1：
[0037]一种高性能单中心铀基负载催化剂的制备方法，通过氮掺杂石墨烯、氧化石墨烯和还原氧化石墨烯吸附模拟核废液中的铀酰离子来制备单中心铀基负载催化剂，包括以下步骤：
[0038]S1、以石墨烯为原料，氧化制备氧化石墨烯，并配置氧化石墨烯的GO分散液：
[0039]取2g石墨粉加入到3mL含有1gK2S2O8和1gP2O5的浓H2SO4中，80℃下加热6h后冷却至室温，蒸馏水稀释、抽滤、水洗至滤液为中性，空气中干燥；冰浴条件下本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高性能单中心铀基负载催化剂的制备方法，其特征在于，通过氮掺杂石墨烯、氧化石墨烯和还原氧化石墨烯吸附模拟核废液中的铀酰离子来制备单中心铀基负载催化剂，包括以下步骤：S1、以石墨烯为原料，氧化制备氧化石墨烯，并配置氧化石墨烯的GO分散液；S2、采用水热法，以GO分散液和尿素为原料制备氮掺杂石墨烯，并由GO分散液制备还原氧化石墨烯；S3、将制得的氮掺杂石墨烯、氧化石墨烯和还原氧化石墨烯加入铀溶液中，采用吸附
‑
快速电还原法制得单中心铀基负载催化剂。2.根据权利要求1所述的一种高性能单中心铀基负载催化剂的制备方法，其特征在于，步骤S1中，制备氧化石墨烯的方法如下：S11、取石墨粉加入到含有K2S2O8和P2O5的浓H2SO4中，80℃下加热6h后冷却至室温，蒸馏水稀释，抽滤，水洗至滤液为中性，空气中干燥，制得预氧化石墨烯；S12、冰浴条件下，取上述得到的预氧化石墨烯加入到冰的浓H2SO4溶液中，小心缓慢加入KMnO4，35℃下搅拌2h；S13、加入蒸馏水稀释，之后，在15min内继续加入蒸馏水和30％的H2O2，趁热过滤；S14、依次用HCl和蒸馏水洗涤至滤液为中性，空气中干燥，即制得氧化石墨烯。3.根据权利要求2所述的一种高性能单中心铀基负载催化剂的制备方法，其特征在于，步骤S1中，配置氧化石墨烯的GO分散液的方法如下：将干燥的氧化石墨烯于搅拌条件下加入到蒸馏水中，超声3h，4000r/min下离心30min，分离上层清液，即制得GO分散液。4.根据权利要求2所述的一种高性能单中心铀基负载催化剂的制备方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：竹文坤，何嵘，陈涛，段涛，杨帆，刘敏，雷佳，刘欢欢，周莉，白文才，
申请(专利权)人：西南科技大学，
类型：发明
国别省市：