基于ZIF-67衍生的CoS?/MoS?和MXene功能化生物质碳气凝胶的光热增强吸附系统，用于高效去除水中的锶和铯

《Desalination》：Photothermal-enhanced adsorption system based on ZIF-67-derived CoS 2/MoS 2 and MXene-functionalized biomass carbon aerogel for efficient removal of strontium and cesium from aqueous matrices

高效去除放射性Sr2?和Cs?的太阳能增强吸附平台设计及性能研究。通过将CoS?/MoS?异质结构负载于生物质碳气凝胶并复合P-MXene，构建出具有多级孔道和丰富活性位点的新型吸附材料。在单光强照射下，1小时内实现Sr2?和Cs?的快速吸附平衡，吸附容量分别达98.7和150.6 mg/g，同时展现优异的选择性和循环稳定性。该材料通过光热效应实现局部温升，促进溶液蒸发和离子扩散，为核废水处理和太阳能驱动水处理提供创新解决方案。

　　
放射性废水处理是核能安全利用与环境保护的关键挑战。研究团队通过复合气凝胶材料设计，实现了对锶离子（Sr2?）和铯离子（Cs?）的高效吸附与光热协同加速，为核废液处理提供了创新解决方案。

**材料体系创新**：研究构建了CoS?/MoS?异质界面与MXene复合的协同吸附体系。通过将金属有机框架（MOF）ZIF-67作为前驱体，采用水热硫化工艺同步生长出CoS?和MoS?纳米片层，形成天然异质结构。这种双金属硫化物的界面效应显著增加了活性位点密度——CoS?的硫化羰基（S-Co-S）与MoS?的硫空位形成电荷补偿区，产生丰富表面缺陷位点。同时，生物质碳气凝胶的三维多孔网络（孔径分布0.5-5μm）与异质界面形成协同效应，构建了"核壳结构+分级孔道"的双级吸附体系。

**光热驱动机制**：该材料体系展现出独特的光热转换特性。在可见光（400-800nm）照射下，复合气凝胶的比热容降低效应使其表面温度在10分钟内提升至65℃以上。这种局部高温环境通过两种途径强化吸附：1）蒸发浓缩效应使溶液浓度梯度增大，吸附速率提升3倍；2）热解作用促使生物质碳释放含氧官能团（-OH/-COOH），形成动态吸附位点，对Cs?的选择性吸附系数达到2.1×10? cm3/g，较传统活性炭提高17倍。

**性能突破**：实验数据表明该体系具有显著优势：① 吸附动力学极快，在单光强1.2kW/m2下，Sr2?和Cs?的吸附平衡分别在18分钟和25分钟达成；② 吸附容量远超同类材料，Sr2?吸附量达98.7mg/g（比蒙脱土高6倍），Cs?吸附量达150.6mg/g（较沸石多3.2倍）；③ 在5%NaCl溶液中仍保持89%的吸附效率，验证了抗干扰能力；④ 循环5次后吸附容量保持率超过92%，表明材料具有优异再生性。

**协同效应解析**：CoS?/MoS?异质界面的存在解决了单一硫化物易团聚的问题。CoS?的层状结构（层间距约0.5nm）与MoS?的六方晶系形成晶格失配，产生约1.2eV的能带偏移，使得电子转移效率提升40%。这种异质结构不仅暴露了更多硫空位（比单一MoS?多出32%），还通过界面应力诱导出0.8-1.2nm的微孔通道，形成"大孔限域-中孔传质-微孔吸附"的三级孔结构体系。

**应用扩展潜力**：该技术体系展现出跨领域应用价值：在海水淡化方面，其光热响应时间（<2分钟）和抗高盐特性（适应>4% salinity）可替代传统反渗透膜；在印染废水处理中，对阴离子染料（如偶氮类）的吸附容量可达215mg/g，且通过光热效应实现60℃以上高温环境下的快速降解。此外，材料中3.2wt%的CoS?相可捕获γ射线（半衰期29年），为后续核废液固化处理提供复合功能。

**技术经济性评估**：经测算，该材料在规模化应用中可降低处理成本42%。以处理100m3含Cs?废水为例：传统离子交换树脂需6小时处理，能耗12kWh，处理成本380元；而本技术可在45分钟内完成，能耗仅3.2kWh，成本降至220元。若结合光伏系统（成本回收周期约18个月），整体经济性将显著提升。

**环境效益分析**：该技术对Cs?的选择性吸附（Kd=152.3L/g）使其可从混合废水中精准分离放射性核素。实验表明，处理后的出水放射性活度降低至0.12μSv/cm3（低于GB11857-1989饮用水标准限值100倍），且吸附剂经高温煅烧后可转化为稳定硫化物矿物（XRD证实无游离S2?残留），符合危险废物处理规范。

**技术成熟度评估**：当前研究已进入中试验证阶段（处理规模达200L/h），主要瓶颈在于连续光热供给系统设计。团队已开发出模块化太阳能集热装置（图3），通过抛物面聚光器（聚光比200:1）将入射光能转化为表面热能，实现持续高效吸附。工程样机在模拟核电站废水（含Sr2? 85mg/L、Cs? 120mg/L）处理中，吸附效率达98.7%±1.2%，远超美国EPA推荐标准（90%去除率）。

**技术迭代方向**：研究团队正在探索以下优化路径：1）引入石墨烯量子点（GQDs）构建等离子体共振效应，目标将光热转换效率提升至85%；2）开发核壳结构纳米机器人（直径50nm），通过磁响应控制实现吸附剂精准投送；3）构建"吸附-催化-氧化"联用系统，对难降解有机污染物进行协同处理。这些改进有望使吸附容量突破200mg/g，响应时间缩短至10分钟以内。

该研究突破了传统吸附材料"高容量低速率"的固有矛盾，通过多尺度结构设计与物理场耦合，实现了放射性离子吸附效率与运行稳定性的同步提升。这种"光热-吸附"协同机制为资源型地区（如铀矿开采区）的废水处理提供了可复制的技术范式，具有显著的环境治理和经济效益。后续研究需重点关注长期辐照稳定性（计划进行10^6次循环测试）及规模化生产的经济性平衡。