渤海大学鄂涛博士：发现调控氧化石墨烯和蒙脱土纳米片层堆叠的狭缝间距可实现高效选择性去除Cu(Ⅱ)

▲第一作者：郝欣

通讯作者：杨姝宜、鄂涛

通讯单位：渤海大学

论文DOI：10.1016/j.jhazmat.2021.127680

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全文速览

该文章通过不同碱土金属离子与SA配位构型的差异，利用GO和MMT纳米片层堆叠效应，成功制备出狭缝型孔隙结构可控的气凝胶，并用于选择吸附平面结构的水合铜离子。通过系列表征分析，Sr-G/M含有更致密的狭缝孔隙可以实现对Cu(Ⅱ)的更高效、更稳定的选择性吸附。考虑到Sr-G/M具有环境友好性、易制备性和良好的选择吸附性，对于从复杂废水系统中选择性吸附Cu(Ⅱ)方面具有很大的应用前景。

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背景介绍

GO基气凝胶由于其固有的高孔隙率和大比表面积等优点，从而引起了研究人员的关注。然而，作为废水处理的吸附剂，GO基气凝胶也存在明显的缺点，例如纯GO气凝胶在水条件下的结构稳定性相对较差，通常会发生结构崩塌，这对于回收再利用带来了很大的困难，同时也可能造成二次污染。此外，许多金属阳离子会争夺纯GO气凝胶的含氧官能团，导致在复杂废水系统中选择性吸附目标污染物的性能降低。因此，研究先进的材料和技术以高效选择性吸附复杂废水系统中的目标污染物仍具有十分重要的意义。

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本文亮点

(1) 利用GO和MMT纳米片的堆叠效应形成具有狭缝孔隙的气凝胶。

(2) 通过不同碱土金属离子与SA配位构型的差异调控孔径。

(3) 平面形水合铜离子容易扩散到致密的狭缝孔隙中。

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图文解析

一：Ca-G/M和Sr-G/M的微观、宏观形貌对比

▲图1. (a, b) GO和MMT的TEM图像；(c, d) Ca-G/M的SEM图像；(e, f) Sr-G/M的SEM图像；(g, h) Ca-KA和Sr-L的EDS映射；(i, l) Ca-G/M和Sr-G/M的TEM图像；(j, k) Ca-G/M的HRTEM图像；(m, n) Sr-G/M的HRTEM图像；(o-r) 冷冻干燥前后Ca-G/M和Sr-G/M的照片。

二：Ca-G/M和Sr-G/M的成键方式、孔径对比

▲图2. (a) 金属羧酸配位的不同类型；(b) GO、MMT、SA、Ca-G/M和Sr-G/M的FT-IR光谱；(c, d) Ca-G/M和Sr-G/M的N₂吸附-解吸等温线和相应的孔径分布曲线；(e) MMT、Ca-G/M和Sr-G/M中Al 2p的XPS光谱；(f) Ca-G/M中Ca 2p的XPS光谱；(g) Sr-G/M中Sr 2p的XPS光谱。

三：Ca-G/M和Sr-G/M整体孔隙结构的形成机理对比

▲方案1. Ca-G/M和Sr-G/M的孔隙结构示意图。

四：Sr-G/M的吸附性能

▲图3. (a) pH值对Sr-G/M去除Cu(Ⅱ)的影响；(b) 标准化效应的正态图；(c) 去除效率标准化效应的Pareto图；(d) 吸附Cu(Ⅱ)的主要影响曲线；-1和1符号分别表示因子的低水平和高水平；(e) 去除Cu(Ⅱ)的相互作用效应图；(f) Sr-G/M在水中的抗干扰能力；(g) Sr-G/M的循环性能。

五：Sr-G/M的稳定性和耐久性

▲图4. (a) Ca-G/M和Sr-G/M在循环试验中的稳定性和耐久性；(b) 循环试验期间Sr-G/M的FT-IR光谱；(c) 循环试验期间Sr-G/M的SEM图像。

六：Sr-G/M的吸附选择性机理

▲图5. (a) Sr-G/M对Cu(Ⅱ)的选择性去除效率；(b) 四种水合离子的构型和水合半径；(c) Sr-G/M在复杂废水溶液中的选择性吸附示意图。

七：Sr-G/M的吸附机理

▲图6. (a) Sr-G/M吸附前后的FT-IR光谱；(b) Sr-G/M吸附前后的总XPS光谱；(c) Sr-G/M吸附后的EDS（内嵌Cu(Ⅱ)的映射图）；(d-f) Sr-G/M吸附后的Cu2p、O1s和C1s的XPS光谱。

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总结与展望

本研究采用简易冷冻干燥法成功制备了一种环境友好型气凝胶（Sr-G/M），以高效选择性地去除复杂废水系统中的Cu(Ⅱ)。试验证明在具有其他干扰金属离子的情况下，Sr-G/M对Cu(Ⅱ)仍具有较高的选择性，分配系数为41.85 L g^-1，这是由于内部形成了更致密的狭缝状孔隙结构，这些孔隙结构仅与平面水合物铜离子互补。本研究制备的Sr-G/M具有较高的去除能力、高效的选择性和较强的再生能力，被认为是高效选择性吸附Cu(Ⅱ)的理想吸附剂。

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作者介绍

第一作者 郝欣：

渤海大学化学工艺专业硕士研究生。研究兴趣：功能吸附材料的开发与应用。目前在J Hazard Mater、J Polym Environ期刊上发表SCI收录论文2篇，获得授权实用新型专利1项。

电子邮箱：haoxin7341@qq.com

通讯作者 杨姝宜：

渤海大学环境工程专业副教授，硕士生导师。研究兴趣：土壤修复技术和固体废物资源化。在ACS Appl Mater Interfaces、Sep Purif Technol、J. Alloys Compd等国际著名期刊上以第一/通讯作者发表SCI收录论文11篇，担任《Journal of Alloys and Compounds》、《Journal of Polymers and the Environment》SCI期刊审稿人。

电子邮箱：yangshuyi@bhu.edu.cn

通讯作者 鄂涛：

渤海大学环境工程专业副教授，硕士生导师。辽宁省毛皮绿色制造产业技术创新战略联盟理事长，锦州市金属材料产业创新联盟专家委员，渤海大学环保产业技术研究所所长。研究兴趣：化工清洁生产工艺，土壤与水污染修复技术、低碳减碳工艺技术开发及钛基功能材料的制备工艺及应用。在ACS Appl Mater Interfaces、Sep Purif Technol、J. Environ. Chem. Eng等国际著名期刊上以第一/通讯作者发表SCI收录论文20篇，主持24项科研项目，以第一发明人获得授权发明专利11项，近三年成果转化合同金额623万。

电子邮箱：etao@bhu.edu.cn

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文章信息

X. Hao, S. Yang*, T. E*, Y. Li, High efficiency and selective removal of Cu(Ⅱ) via regulating the pore size of graphene oxide/montmorillonite composite aerogel. Journal of Hazardous Materials.

DOI: 10.1016/j.jhazmat.2021.127680