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纳米铁复合材料在放射性污染治理中的应用研究——记中国博士后科学基金“特别资助”获得者盛国栋

        近日,中国博士后基金会公布了第十批中国博士后基金“特别资助”项目名单,我校环境科学与工程学院盛国栋博士后(导师为王祥科教授)申请的项目“微生物/铁矿物/DOM协同修复放射性核素的作用机制”获得资助。盛国栋是我校第4位获此殊荣的博士后。中国博士后基金特别资助是在中国博士后基金面上资助的基础上设立的,旨在对在站期间取得了重大自主创新研究成果和在研究能力方面表现突出的博士后给予资助,是博士后基金的最高资助等级。相对于面上资助而言,特别资助更加强调博士后的创新能力和科研水平,评审程序更加严格,资助额度更高(面上资助最高额度8万元,特别资助资助额度15万元)。

        盛国栋于2012年博士毕业到绍兴文理学院从事教学科研工作,2015年开始在我校王祥科教授课题组进行博士后研究,主要从事纳米铁复合材料在放射性核素还原固定中的作用机制等课题研究。根据处理放射性核素的性质,通过离子交换,等离子体表面接枝等手段,将碳纳米管、粘土矿物等材料进行修饰,使其微界面性质与目标放射性核素匹配,得到zeta电位不同的改性材料作为纳米铁的载体,并利用负载化技术,制备出各种纳米铁复合材料,用于处理不同类型的放射性核素。充分提高纳米铁的利用率,增强了纳米铁对放射性核素的还原固定能力。即:用环境相关条件下带正电的水滑石、羟基铝柱撑蒙脱石协同纳米铁处理负电的Se(IV)/Se(VI)、Cr(VI)、Re(VII)、Tc(VII)等阴离子物质;用环境相关条件下带负电的硅藻土、钠基蒙脱石协同纳米铁处理正电的放射性核素UO22+、Ni2+、Co2+等阳离子物质。纳米铁复合材料去除放射性核素的能力与相应载体对放射性核素的吸附性能成正相关[The Journal of Physical Chemistry A, (2014, 118, 2952-2958), Carbon (2016, 99, 123–130) (highly cited papers), Environmental Science: Nano (2016, 3(6), 1460–1472),]。此外,载体可以有效的抑制纳米铁的团聚和氧化现象,有助于增强纳米铁的反应活性并延长其使用寿命(图1)。

        为了深入研究各种载体对纳米铁去除放射性核素的强化效应和协同作用机制,盛国栋运用同步辐射XAFS技术研究了反应的微界面作用机制。通过对EXAFS谱的拟合分析,研究了放射性核素在反应前后在固体表面的赋存形态、配位环境变化,进而从微观上揭示了界面反应规律。发现载体协同纳米铁可以将以毒性大、易溶于水且迁移性强的高价态Re(VII),U(VI)和Se(IV)/Se(VI)几乎完全转化为毒性小的低价态Re(IV),U(IV)和Se(0)/Se(-II)沉淀物质(图2-4)。

        此外,反应过程中生成的难溶性腐蚀产物可以覆盖在载体表面,从而使纳米铁表面更多的活性位可以用于放射性核素的还原反应,从而有助于提高纳米铁与放射性核素的反应活性和寿命[Applied Catalysis B: Environmental (2016, 193, 189–197) (highly cited papers), Journal of Hazardous Materials (2017, 336, 214–221), Chemosphere (2016, 148, 227–232) (highly cited papers)]。另外,盛国栋利用穆斯堡尔谱(MBS)研究发现反应中生成的Fe(II)可以吸附在铁的腐蚀产物及载体上,与游离态Fe(II)相比,这些表面吸附态Fe(II)还原电位更低,还原活性更高,可以进一步促进Re(VII),Se(IV)/Se(VI)和U(VI)等的还原转化(图5) [Applied Catalysis B: Environmental (2016, 192, 268–276), Desalination and Water Treatment (2017, 70, 183–189), Chemosphere (DOI:10.1016/j.chemosphere.2017.05.179)]。通过这些先进的光谱表征技术,从分子水平上揭示了载体在纳米铁锁定放射性核素中的强化作用(图6),为有效治理放射性污染土壤和地下水提供理论指导。

        盛国栋博士后在2016年获得了第59批中国博士后科学基金面上资助,近年来,以第一/通讯作者在环境科学与工程领域的国际知名期刊Applied Catalysis B: Environmental, Environmental Pollution, Environmental Science: Nano, Chemosphere等上发表研究论文20多篇,其中SCI一区论文12篇,6篇论文被评为Essential Science Indicators (ESI)高被引用论文(highly cited papers),2篇论文被评为ESI热点论文(Hot papers)。SCI论文的H-因子为20。论文被他人引用或正面评价超过1500次。研究成果入选中国科学院2016年上海光源大科学装置用户成果汇编。通过博士后面上基金等的种子作用,盛国栋成功申请到了国家自然科学基金项目资助和中国博士后基金“特别资助”项目。

        博士后基金赋予了我学术生命,她的宽松和谐氛围、探索创新精神、公平竞争理念,给予了我做人、做事、做学问的很多启迪。回想过去,我所取得的成绩与博士后基金资助密不可分;展望未来,我将继续努力学习,勤奋工作,发扬学术追求的包容、合作与创新精神,借助中科院上海光源的优势科研平台,利用先进的同步辐射分析手段揭示微观世界更深入的科学问题。盛国栋如是说。

        环境科学与工程学院博士后盛国栋荣获科学基金“特别资助”,标志着我院在培养高质量人才方面迈上新台阶;学院在未来的工作中,将继续按照学校“十三五”发展规划及“双一流大学”建设宏伟愿景,培养和涌现出更多的博士后科学基金“特别资助”获得者,以科技创新为推动力,扎扎实实做好各项人才培养与科学研究工作,形成环境学院自有的学科体系和优势,整体科研水平和科研力量达到省内同类院校领先水平,取得新一批高水平的学术成果。