Adv. Funct. Mater.：智能光子晶体水凝胶材料用于水溶液中铀酰离子的监测和移除

【引言】

铀酰离子(UO₂²⁺)为铀常见存在形式，广泛存在于土壤、水溶液中等。铀本身具有强放射性和化学毒性，可引发人体组织功能受损，危害人体健康。因此，UO₂²⁺污染是一个严重的环境问题，而UO₂²⁺的吸附和监测是目前解决UO₂²⁺污染的主要手段。另外，制备实现在线监测吸附程度和UO₂²⁺浓度的吸附材料是当下主要的挑战。本文制备了一种智能型光子晶体水凝胶材料，能够在线监测和吸附UO₂²⁺，并且在实际应用中具有较好的效果。

【成果简介】

近期，湖南大学吴朝阳教授（通讯作者）等人在Adv. Funct. Mater.上以题为 “Smart Photonic Crystal Hydrogel Material for Uranyl Ion Monitoring and Removal in Water”，发表了近期课题组的研究成果。本文研究了智能型光子晶体水凝胶材料在UO₂²⁺吸附和检测方面的应用。通过UO₂²⁺与多种配体的官能团的结合作用，进而引发光子晶体水凝胶材料的衍射峰波长蓝移，实现了对UO₂²⁺的吸附和浓度检测，并且可以通过裸眼观察其颜色变化来判断UO₂²⁺的浓度。本文所采用的光子晶体水凝胶(PCH)材料对UO₂²⁺的最低检测浓度为10 nM，最大吸附量在298K时达到了169.67 mmol/kg。为这类材料在实际水中UO₂²⁺的检测提供了新的思路。

【图文导读】

图1 PCH材料对UO₂²⁺的检测和移除过程示意图

PCH材料可实现对UO₂²⁺的吸附和检测，并且具有循环使用性。

图2 PCH材料形貌表征

(A) PCH材料的表面形貌；

(B) PCH材料不同层次之间的形貌。

图3 PCH材料吸附UO₂²⁺的衍射光谱图

(a) PCH材料在不存在UO₂²⁺时的衍射光谱图；

(b) PCH材料在UO₂²⁺浓度为0.3 mM时的衍射谱图；插图分别为其对应的光学图片。

图4 PCH材料在铀酰离子吸附方面的光学手段表征

(A) PCH和UO₂²⁺处理过的PCH材料的XPS全谱图；

(B) (a)不含SiO2的PCH材料红外光谱图，(b) UO₂²⁺处理过不含SiO₂的PCH材料红外光谱图，(c)醋酸铀的红外光谱图。

图5 PCH材料对UO₂²⁺的检测

(a) PCH材料在不同浓度UO₂²⁺时的光学图片(a-l浓度依次为0, 0.01，0.05, 0.1, 1, 10，20，30, 50，100, 200和300 µM，样品体积为0.5 mL)；

(b) PCH材料在不同浓度UO₂²⁺时的衍射光谱图；

(c) 衍射峰波长变化值与UO₂²⁺浓度的拟合曲线图。

图6 PCH材料对UO₂²⁺的特异性

PCH材料对UO₂²⁺的特异性检测，所有的离子浓度都是30 µM，反应在10 mM的MES中进行。

图7 PCH材料吸附UO₂²⁺的动力学研究

PCH材料在初始浓度为1 mM的UO₂²⁺中的吸附动力学研究，(0.05g PCH材料，10 mL UO22+溶液)，图中插图a为吸附之前，b为吸附8 h后的照片。

图8 PCH材料的再生使用性

PCH材料对100 µM UO₂²⁺的吸附可逆性，图中表现出6次循环后对UO₂²⁺吸附效率仍可达到94.75%。

【小结】

本文通过结合光子晶体的指示功能与功能化水凝胶的吸附性能成功的发展了一种智能光子晶体水凝胶材料，用于同时监控和去除UO₂²⁺。相比于其他的材料，PCH材料不仅具有较高的灵敏度、良好的选择性和较高的吸附容量，并且可以用于实时监测UO₂²⁺浓度。同时，由于智能光子晶体水凝胶的衍射峰位于可见光范围内，可以实现溶液中UO₂²⁺的可视化检测。由此看来，PCH材料将来有望用于核废水中铀离子的检测和移除。

通讯作者简介：吴朝阳教授，2006年聘为化学系教授，2011年度“教育部新世纪优秀人才支持计划”获得者。在生物传感技术、传感检测仪器、食品安全、环境检测等领域进行了多方面积累,尤其在免疫、酶、核酸等生物传感技术领域进行了较深入的研究，并取得了系列的研究成果。主持完成了多项国家自然科学基金、国家科技计划项目等的研究工作。目前研究方向主要为基于液晶和光子晶体等的智能光学材料以及相关化学生物传感研究。

文献链接: Smart Photonic Crystal Hydrogel Material for Uranyl Ion Monitoring and Removal in Water (Adv. Funct. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adfm.201702147)

本文由材料人编辑部高分子组点点编译，吴朝阳教授团队审核。

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