核能，因其能量效率高、常规运作成本相对低廉且无煤炭消耗和空气污染、环境相对清洁，近几十年来得到了迅猛发展，逐步成为替代石化燃料的一种非常重要的能源来源，在区域经济发展中发挥着重要作用。然而，核电站运行过程中产生的核废料以及核事故如福岛事件等带来的辐射污染，特别是主要裂变产物放射性铯离子（Cs-137）,对于土壤和水环境的污染时刻威胁着人类生命健康。目前对于核污染环境的治理仍然缺乏行之有效且可以规模化的方法。同时，多数吸附剂对于Cs⁺的吸附容量和吸附选择性均较低。普鲁士蓝类化合物如亚铁氰化铜钾（KCuHCF）虽然对Cs⁺具有较高的吸附容量和选择性，但是因为颗粒尺寸过小，容易造成二次污染，所以应用受限。

  针对核事故造成的地表土壤污染面积大、难以规模化处理等问题，章华桂团队在前期工作中开发了一种可以规模化处理的新型的治理方法，浮选法，即利用气泡将高污染的颗粒从大量“干净”的颗粒中有效地分离出来，回收率高达80%，从而缩小核废料容量以便进一步集中后处理（Chem. Eng. J 2019，355，797）。同时，也通过有机改性蒙脱土并以其为载体原位增长亚铁氰化铜钾（KCuHCF）纳米颗粒，制备一种具有一定疏水性的复合吸附剂，在其高效选择性吸附Cs⁺的同时能够利用浮选法进行有效回收，实现核废水的快速净化（J Mater. Chem. A 2017，5，15130）。

  具有三维多孔网络结构的水凝胶是负载KCuHCF纳米颗粒的非常好的载体，能够充分发挥KC u HCF的吸附性能，但是多数水凝胶都是通过共价键交联形成的有机聚合物，抗辐射能力较差。在本文中，章华桂团队受贻贝足丝分泌的粘附蛋白所启发，通过多巴胺的自聚合在蒙脱土（MMT）纳米片层表面形成一层富含儿茶酚和氨基等多官能团结构的聚多巴胺涂层，并利用聚多巴胺与铜离子（Cu²⁺）络合作用，一方面与亚铁氰化钾反应在MMT纳米片层表面原位增长KCuHCF纳米颗粒，另一方面在过量Cu²⁺络合作用下实现MMT纳米片层的自组装形成三维多孔网络结构的无机-有机复合水凝胶，如图1所示。其中，有机物所占比例非常小，仅~0.82 wt%，有利于辐射环境下的使用。 

图1 蒙脱土基KCuHCF复合水凝胶吸附剂的制备及其机理示意图

  该复合水凝胶(图2ab)的自组装机理被证明是以Cu²⁺和聚多巴胺上的氨基之间的络合作用为主(图2cd)。同时，由该络合作用构成的交联结构具有一定的可逆性，在复合水凝胶遭到强大的应力破坏后能够瞬间愈合(图2e)，因此在操作和使用过程中可以根据需要进行变形并保持完整性和坚固性，具有较强的使用性能。

图2 a-b)蒙脱土基KCuHCF复合水凝胶的SEM和EDX图；c-d)N1s和Cu 2p的XPS谱图；e）0.1%和1000%的不同阶段应变行为 

  复合水凝胶的Cs⁺吸附容量高达173 mg/g，对海水中0.2 ppm的Cs⁺具有较高的选择吸附性，分配系数达9.78×10⁴mL/g，且在较宽的pH范围内（2-12）保持优良的吸附行为（图3a-c）。另外，将水凝胶涂覆在过滤膜并利用其净化含铯废水，对Cs⁺的脱除效果显著（图3d）。因此，该研究所制备的复合水凝胶具有在辐射环境下有效净化含铯废水的应用潜力。

图3 a)蒙脱土基KCuHCF复合水凝胶的Cs⁺吸附曲线；b) 复合水凝胶在海水环境中的Cs⁺吸附分配系数；c) 复合水凝胶DHG(Cu) 的Cs⁺吸附行为的pH依赖性；d) 复合水凝胶DHG(Cu)在过滤柱中对含Cs⁺废水的净化行为

  该研究成果近日发表在ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, ASAP上。论文的第一作者兼通讯作者为福建师范大学化学与材料学院章华桂研究员，共同通讯作者为英国利兹大学David Harbottle教授，另一合作研究团队为韩国KAIST的Jae W. Lee教授课题组。

  原文链接：https://doi.org/10.1021/acsami.0c06598