【废吸附剂回收】JCP：三氧化钨半水合物修饰还原氧化石墨烯对重金属和染料吸附的协同作用及其在超级电容器装置中的初步应用

【论文链接】

https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2023.138067

【作者单位】

岭南大学；阿里格尔穆斯林大学

【论文摘要】

同时管理水污染、能源危机和遵守绿色化学标准是一个巨大的挑战。这项研究的目的是合成一种新的材料，适合于吸附废水中典型的污染物，并提出一种管理废吸附剂的替代方法。合成了WO₃0.5H₂O修饰的还原氧化石墨烯(RGO)纳米复合材料(RGO-WO₃0.5H₂O NCs)，并考察了其间歇和连续运行对废水中重金属离子和染料的去除效果。

RGO-WO₃0.5H₂O纳米颗粒对Pb²⁺、Cd²⁺、Ni~²⁺、MB和CV的吸附容量分别为28.005 mg/g(93.35%)、26.985 mg/g(89.95%)、42 25.935 mg/g(86.45%)、186.97 mg/g(97.07%)、28.005 mg/g(97.07%)和93.48%。固定床柱吸附实验表明，当吸附浓度为50~20 mg/L时，MB的吸附量为~123~79 mg/g，CV为93~71 mg/g；Pb²⁺为~30 mg/g，Cd²⁺为~28 mg/g， Ni²⁺为36~25 mg/g。

在此之后，废旧的吸附剂被重新用于能源储存，这是基于“变废为宝”的原则，以防止二次污染。基于WO₃0.5H₂O纳米颗粒、RGO-WO₃0.5H₂O纳米颗粒、Ni(II)吸附的RGO-WO₃0.5H₂O纳米颗粒的纳米材料在1.25A/g下的比容量分别为306.42、276.96和241.06 F/g，在1M的Na₂SO₄中循环12000次后，Ni(II)-51吸附的RGO-WO₃0.5H₂O纳米颗粒的容量稳定性接近RGO-WO₃0.5H₂O纳米颗粒的75%(82%)。所制备的吸附Ni(II)的RGO-WO₃0.5H₂O基对称超级电容器器件在45kW/kg的功率密度下的能量密度为47.77Wh/kg，10,000次循环后的比容量为90%。

这项研究提出了一种在储能应用中利用废吸附剂的新方法，展示了对减少传统吸附方法产生的废物的重大环境影响。

【实验方法】

WO₃0.5H₂O NPs 和 RGO-WO₃0.5H₂O NCs的水热合成：

GO 是根据之前报道的研究通过使用改进的Hummers工艺氧化天然石墨粉末来合成的。在典型程序中，将Na₂WO_4.2H₂O (0.06 M) 溶解在50 ml去离子水中，并使用磁力搅拌器以 1000 181 rpm 搅拌 30 分钟。然后，将NH₂OH.HCl(0.12M)添加至Na₂WO_4.2H₂O液中。之后，将RGO溶液(0.5 g/L)轻轻添加到所得混合物中并超声处理30分钟。将所得混合物在180℃水热处理24小时。冷却后，将所得产物离心并用去离子水和乙醇洗涤多次，并在80℃烘箱中干燥6小时。图1A显示了RGO-WO₃0.5H₂O NCs的合成示意图。为了进行比较，还合成了裸 WO₃0.5H₂O NPs。 WO₃0.5H₂O NPs的合成过程RGO-WO₃0.5H₂O NCs的合成过程几乎相同，只是去掉了RGO溶液添加步骤

【图文摘取】

【主要结论】

作者描述了一种新颖而创新的方法来解决本世纪的两个重要问题：水污染和能源危机。新颖之处在于用WO₃0.5H₂O修饰的RGO NCs作为水体系中重金属离子(Pb(II)、Cd(II)和Ni(II))和染料(MB和CV)的吸附剂，并遵循“变废为宝”的原则将废吸附剂用作储能电极材料。

结果表明，所研制的RGO-WO₃0.5H₂O NCs在303K时Pb²⁺、Cd²⁺、Ni²⁺、MB、CV的吸附容量分别为28.005 mg/g(93.35%)、967 26.985 mg/g(89.95%)、25.935 mg/g(86.45%)、28.005 mg/g(97.07%)、186.97 mg/g(93.48%)。

此外，废吸附剂（镍吸附的 RGO-WO₃0.5H₂O）的电化学性能与 RGO-WO30.5H₂O NCs 相当，并且优于WO₃0.5H₂O NPs。所制备的WO₃0.5H₂O NPs、RGO-WO30.5H₂O NCs和镍吸附的 RGO-WO30.5H₂O NCs 在 1.25 A/g 下的比电容分别为 241.06、306.42 和 276.96 F/g。即使在循环达 12000 次后，RGO-WO₃0.5H₂O NCs 和镍吸附 RGO-WO₃0.5H₂O NCs 的容量保持率也分别为82% 和75%。

转化后的镍吸附RGO-WO₃0.5H₂O NCs以简单的策略成为高效的储能电极材料，可以应对不断增长的能源需求的挑战，同时减少了二次污染。关于RGO-WO_30.5H₂O NCs去除工业废水中污染物的效率及其对某些污染物的选择性的研究结果需要进一步研究。此外，还需要对合成的纳米复合材料的潜在环境影响、在现实世界应用中的实用性以及大规模生产的成本效益进行评估。