[发明专利]一种用于同时监测和去除铀酰离子的智能光子晶体材料

说明书

本发明提供了一种用于同时监测和去除铀酰离子的智能光子晶体材料，该材料的合成步骤包括单分散SiO₂纳米颗粒的合成及纯化、光子晶体前聚液的制备、光子晶体水凝胶材料成型模具的制作以及水凝胶的制备，制备的智能光子晶体材料能应用于监测和去除水中铀酰离子。本发明所述的智能光子晶体材料的信号指示功能与水凝胶对铀酰离子的吸附去除性能，成功的解决了传统的吸附材料不能原位检测溶液中UO₂²⁺浓度以及实时显示吸附剂吸附程度的缺点，对UO₂²⁺的去除表现出了高的吸附容量，对UO₂²⁺的最低检测浓度为10nM，满足了实际应用中对检测灵敏度的要求。

技术领域

本发明属于光子晶体技术领域，尤其是涉及一种用于同时监测和去除铀酰离子的智能光子晶体材料。

背景技术

铀是一种在自然界分布广泛的放射性元素，它的半衰期可以长达4.5×10⁹年。单质的金属铀化学性质活泼，在自然界中主要以化合态的铀存在。随着环境污染和能源危机的加剧，以铀为燃料的核能作为一种新型的低碳能源越来越受青睐。正因为核工业的快速发展，造成铀污染的原因越来越多，如：铀矿开采及提炼、核电站核废液的排放以及异常的泄露、核武器的研发等等。铀污染的产生对人类的健康及环境构成了很大的威胁。铀酰离子(UO₂²⁺)是铀元素水中最稳定的存在形式，它能很容易的与不同的功能基团如–NH₂,–COO-等在同一个平面上发生螯合。由于它的化学活性，UO₂²⁺通过食物链能在人体内进行富集从而引发严重的健康问题。此外，铀还具有一定的放射性危害，在人体内能使正常细胞发生癌变或者导致其他的放射性病变，同时因为铀的半衰周期很长，所以铀污染会长时间在环境中存留，被污染的区域很难通过环境自身修复。因此，发展一种具有监测和去除功能的新型材料用来治理UO₂²⁺污染十分重要。

近年来，许多去除铀的方法相继被开发，如液-液萃取法，离子交换法，吸附法以及化学/生物化学还原沉积法等。其中吸附法作为一种便捷有效的方法经常被使用，通过在吸附材料上化学修饰上一些特定的功能基团，这些功能基团能够有效并且特异性的与UO₂²⁺发生螯合反应，从而达到选择性地去除铀的能力。Zhang课题组利用铁纳米颗粒发展了一种新型的方法用于封装UO₂²⁺。Kanatzidis和其的合作者构建了两种多硫化合物/氢氧化物复合物，这两种复合物能选择性的捕获溶液中的UO₂²⁺。Sun等发展了一种超级蛋白质水凝胶用于海水中UO₂²⁺的富集。尽管这些材料对UO₂²⁺都具有很好的吸附性能，但是在吸附过程中怎样同时实现对吸附程度以及溶液中UO₂²⁺浓度的评价仍然是一个具有挑战性的工作。因此，如果能发展一种具有可视指示信号并且能实时监测吸附过程的智能材料那将是一个很好想法。