从含铀复杂水溶液体系中有效富集分离铀，既可以提取铀资源，也可以减少核污染，保障核能的可持续发展。通过光催化的方式将可溶六价铀(U(VI))还原为难溶四价铀(U(IV))，是一种新型、绿色、简单的铀富集分离方法。在理想的光催化还原U(VI)过程中，半导体催化剂在光照下产生电子空穴对，电子和空穴分别迁移到催化剂表面还原U(VI)和氧化水分子。然而，大多数报道的半导体催化剂受制于电子空穴对的低分离效率，需要加入空穴牺牲剂(通常是甲醇)来捕获空穴，从而使剩余的电子有效还原U(VI)。空穴牺牲剂的加入不仅增加了光催化还原U(VI)的成本，而且还造成了二次化学污染，不利于进一步工程化。

近日，西南科技大学竹文坤教授和何嵘研究员团队在国际顶级期刊《Advanced Functional Materials》(JCR一区，Nature Index期刊，影响因子:18.808)上发题为“Semiconducting Metal-organic Frameworks Decorated with Spatially Separated Dual Cocatalysts for Efficient Uranium(VI) Photoreduction”的研究论文。该研究通过在UiO-66 MOF内部原位包封MnOx纳米颗粒并与Ti3C2Tx MXene纳米片在外部耦合，得到了MnOx/UiO-66/Ti3C2Tx用于高效光催化还原铀。其中，MnOx纳米颗粒作为氧化助催化剂有利于捕获空穴，而Ti3C2Tx MXene纳米片作为还原助催化剂有利于收集电子。因此，在MnOx/UiO-66/Ti3C2Tx中，光生空穴向内流入到MnOx纳米颗粒上氧化水分子，而光生电子向外流出到Ti3C2Tx MXene纳米片上还原U(VI)。在U(VI)溶液中反应60 min后，MnOx/UiO-66/Ti3C2Tx对U(VI)的去除率达到98.4%，光反应速率常数为0.0948 min-1。在铀浓度为8 mg/L的加标海水中，MnOx/UiO-66/Ti3C2Tx对铀的富集率也能在120 min内达到90%以上，具有从海水中提取铀的潜力。并且，在多种阳离子共存、有机物共存、氟离子共存的情况下，MnOx/UiO-66/Ti3C2Tx仍表现出对U(VI)的高效还原分离能力。该研究不仅为光催化还原U(VI)提供了一种有效的催化剂，而且为空间分离的双助催化剂修饰半导体开辟了一条新的途径。

图(a) MnOx/UiO-66/Ti3C2Tx的SEM图像;(b-c) MnOx/UiO-66/Ti3C2Tx在铀溶液和加标海水中光催化还原U(VI)的性能;(d-e) MnOx/UiO-66/Ti3C2Tx富集铀后的XPS和XRD图;(f) MnOx/UiO-66/Ti3C2Tx光催化还原U(VI)的机理图。

西南科技大学喻开富助教为该论文第一作者，竹文坤教授和何嵘研究员为通讯作者，西南科技大学为唯一完成单位。该项研究得到了国家自然科学基金、四川省科技计划项目、环境友好能源材料国家重点实验室PI项目、西南科技大学博士研究基金等基金的资助。

该研究团队长期从事铀的光电催化还原分离工作，针对传统催化剂电子空穴分离率低和与U(VI)结合能力弱导致对U(VI)催化还原分离难的问题，通过对催化剂能带结构的调控和U(VI)选择性捕获位点的调控，实现了对天然海水、铀矿山废水、含铀有机废液、含氟含铀废水等复杂体系中U(VI)的高效富集分离，近三年在Appl. Catal. B Environ.、Nano Res.、Chem. Eng. J.等TOP期刊上发表“三类高质量论文”15篇，其中IF>10的期刊论文11篇，国产领军期刊论文2篇，入选ESI全球前1%高被引论文1篇，入选ESI全球前3%高被引论文4篇。该项研究在前期基础上，深度关注氧化端的构筑，为无牺牲剂的光催化还原U(VI)催化剂的构筑提供了一种新的策略。