渤海大學鄂濤JECE:發現石墨烯片層堆疊形成的狹縫結構對Cu(II)具有選擇性吸附

第一作者：季承

通訊作者：楊姝宜、鄂濤

通訊單位：渤海大學

DOI：10.1016/j.jece.2021.106819

圖形摘要

研究背景

GO基氣凝膠由于其具有優異的吸附性能和可重復使用性能，在環境處理領域受到了廣泛關注。然而，以往的研究主要集中在GO基氣凝膠材料的吸附性能，而關于GO基氣凝膠中GO片層堆積產生的特殊結構，以及這種結構引起的吸附特性方面鮮有報道。此外，GO基氣凝膠材料與重金屬離子的相互作用機制還需詳細研究。因此，在GO基氣凝膠材料中構建狹縫型結構體系，并詳細研究其對重金屬的吸附機理，在廢水處理領域具有十分重要的意義。

文章簡介

近日，渤海大學化學與材料工程學院季承碩士研究生為第一作者，楊姝宜副教授和鄂濤副教授為通訊作者的研究成果《Three-dimensional network graphene oxide/sodium alginate aerogel beads with slit-shaped structure: synthesis, performance and selective adsorption mechanism for Cu(II)》在環境領域國際著名期刊《Journal of Environmental Chemical Engineering》（IF=5.909）發表。文中通過交聯和冷凍干燥方法，利用GO的片層堆疊效應，成功制備出具有狹縫型結構的三維網絡氧化石墨烯/海藻酸鈉氣凝膠珠（GSC），并用于選擇吸附平面型水合銅離子。通過系列表征分析和批量吸附實驗表明，GSC含有的狹縫型結構可以在干擾離子Zn(II)、Mn(II)和Cr(III)存在的情況下選擇性吸附Cu(II)。此外，GSC也具有優異的可重用性。這項研究旨在GO基氣凝膠材料中建立狹縫型結構體系，在含Cu(II)重金屬廢水深度處理領域具有巨大的應用潛力。

本文要點

要點一：GSC的微觀形貌

圖1：(a) GO的SEM圖像；

(b) GSC水凝膠珠和GSC氣凝膠珠的圖片；

(c-e) GSC的SEM圖像；

(f) GSC的氮氣吸附-解吸等溫線；

(g) GSC的孔徑分布曲線；

(h-k) 從低到高放大倍數（20 μm-500 nm）的狹縫狀結構的SEM圖像。

要點二：GO、SA與Ca(Ⅱ)之間存在價鍵關系

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圖2：(a) GSC的XPS光譜；

(b) C 1s, (c) O 1s 和 (d) Ca 2p 的高分辨率XPS光譜；

(e) GO、SA和GSC的FTIR光譜；(f) GO和GSC的拉曼光譜；

(g) GO-SA、SA-[Ca(H₂O)₅]²⁺和GO-SA-[Ca(H₂O)₅]²⁺的優化結構圖；

(h) GSC的結構圖示意圖。

要點三：GSC對Cu(II)的吸附特性

?

圖3：(a) 不同吸附劑用量、吸附時間、溫度和pH值的GSC的單因素實驗；

?(b)標準化正態圖；

(c) 主效應圖；

(d) 標準化帕累托效應圖；

(e) 標準化交互圖；

(f) GSC的選擇性；

(g) GSC 的可重用性。

要點四：GSC對Cu(II)的吸附機理

?

圖4：(a) GSC氣凝膠珠吸附Cu(Ⅱ)后的EDS圖譜；

(b) GSC吸附Cu(Ⅱ)后的XPS光譜；

(c-d) Cu 2p、(e) C 1s和(f-h) O 1s的高分辨率XPS光譜。

要點五：密度泛函理論（DFT）計算

圖5：(a) GSC, (b) [Cu(H₂O)₄]²⁺, (c) GSC-[Cu(H₂O)₄]²⁺, (d) GO-COOH-[Cu(H₂O)₄]²⁺, (e) GO-O-[Cu(H₂O)₄]²⁺, (f) GO-OH-[Cu(H₂O)₄]²⁺和(g) SA-[Cu(H₂O)₄]²⁺的優化結構圖;

(h) GO-OH-[Cu(H₂O)₄]²⁺, (i) GO-O-[Cu(H₂O)₄]²⁺, (j) GO-COOH-[Cu(H₂O)₄]²⁺和(k) SA-[Cu(H₂O)₄]²⁺的電荷密度差。

要點六：GSC對Cu(Ⅱ)的吸附機理示意圖

結論

本研究通過交聯和冷凍干燥法成功制備了具有狹縫型結構的三維網絡氣凝膠GSC，以選擇性地去除平面型水合銅離子[Cu(H₂O)₄]²⁺。批量實驗表明在干擾離子Zn(II)、Mn(II)和Cr(III)存在的情況下，GSC對Cu(Ⅱ)具有較高的選擇性吸附，這是由于內部形成了的狹縫型結構，相對于其他干擾離子，平面型水合銅離子[Cu(H₂O)₄]²⁺空間位阻較小，更容易進入GSC的狹縫型結構中，并與官能團發生相互作用。DFT計算結果表明，在GSC中，GO對Cu(II)的吸附占主導作用，官能團吸附能力大小遵循：-COOH>-O->-OH。

作者簡介

通訊作者 鄂濤：渤海大學環境工程專業副教授，碩士生導師。遼寧省毛皮綠色制造產業技術創新戰略聯盟理事長，錦州市金屬材料產業創新聯盟專家委員，渤海大學環保產業技術研究所所長。研究興趣：化工清潔生產工藝，土壤與水污染修復技術、低碳減碳工藝技術開發及鈦基功能材料的制備工藝及應用。在ACS Appl Mater Interfaces, J?Hazard Mater，Sep Purif Technol, J. Environ. Chem. Eng等國際著名期刊上以第一/通訊作者發表SCI收錄論文21篇，主持24項科研項目，以第一發明人獲得授權發明專利13項，近三年成果轉化合同金額623萬。

電子郵箱：etao@bhu.edu.cn

通訊作者 楊姝宜：渤海大學環境工程專業副教授，碩士生導師。研究興趣：土壤修復技術和固體廢物資源化。在J?Hazard Mater，ACS Appl Mater Interfaces, Sep Purif Technol, J. Alloys Compd等國際著名期刊上以第一/通訊作者發表SCI收錄論文13篇，擔任《Journal of Alloys and Compounds》，《Journal of Polymers and the Environment》SCI期刊審稿人。

電子郵箱：yangshuyi@bhu.edu.cn

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第一作者 季承：渤海大學化學工藝專業碩士研究生。研究興趣：土壤固碳及功能吸附材料的研究。目前在J. Environ. Chem. Eng.期刊上發表SCI收錄論文1篇。

電子郵箱：939564227@qq.com

文章信息

C. Ji, S. Yang ^*,T. E^*, Y. Cheng, X. Hao, Y. Li, Three-dimensional network graphene oxide/sodium alginate aerogel beads with slit-shaped structure: synthesis, performance and selective adsorption mechanism for Cu(Ⅱ).Journal of Environmental Chemical Engineering. DOI: 10.1016/j.jece.2021.106819

供稿人：渤海大學：季承