渤海大學鄂濤教授&郝欣J. Alloys Compd.：SA交聯GO和MMT納米片構筑狹縫孔隙選擇性去除Cu2+

圖形摘要

一、研究背景

氧化石墨烯(GO)由于其出色的吸附能力，被廣泛認為是金屬離子分離處理水污染的優選材料。雖然GO在處理重金屬方面顯示出了巨大的潛力，但在處理過程中容易發生團聚，降低了GO吸附重金屬的能力。此外，在采用高速離心或過濾分離時，進行回收過程需要耗費大量的精力和時間。因此，基于豐富的含氧官能團和較大的比表面積，可以使GO成為具有化學功能性質的材料。因此，本研究選用氧化石墨烯基凝膠材料來解決上述問題。以氧化石墨烯為基礎的凝膠材料表現出凝膠獨有的特性(具有大比表面積和開放的多孔結構)，不僅很好地保留了氧化石墨烯的含氧官能團，而且交聯劑的加入可以引入更多的含氧官能團。本研究結果為設計和制備具有選擇性去除平面水合銅離子能力的氣凝膠提供了新的思路。

二、文章簡介

近日，渤海大學化學與材料工程學院郝欣碩士研究生為第一作者，楊姝宜副教授和鄂濤教授為通訊作者的研究成果《Graphene oxide/montmorillonite composite aerogel?with slit-shaped pores: selective removal of Cu²⁺?from wastewater》在國際知名期刊《Journal of Alloys and Compounds》(中科院top期刊，IF=6.371)發表。該文章基于氧化石墨烯(GO)與蒙脫土(MMT)的堆疊，以及與海藻酸鈉(SA)的交聯，制備了具有豐富狹縫孔隙的氣凝膠，可選擇性吸附Cu²⁺，稱為G/M/S氣凝膠。結果表明，制備的G/M/S氣凝膠具有較大的比表面積(266.3 m²?g^-1)和較高的去除率(95.1%)，通過創造豐富的裂縫狀孔隙，可以選擇性地去除平面形水合銅離子。并對共存陽離子的復雜體系進行了競爭吸附實驗，表明吸附順序為Cu²⁺?>> Zn²⁺?> Mn²⁺?> Cr³⁺?> Cr⁶⁺。此外，通過DOE研究了單因素對G/M/S氣凝膠吸附Cu²⁺的影響，確認影響順序為pH?> 劑量 >?溫度 > 時間。上述結果表明，G/M/S氣凝膠是一種具有選擇性去除廢水中Cu²⁺潛力的材料。

03本文要點

要點一：G/S和G/M/S的成鍵方式、熱穩定性、孔徑對比

圖1. (a,?b) GO、SA、MMT、G/S和G/M/S的FT-IR光譜；

(c,?d)?G/S和G/M/S的TG曲線；

(e, f)?G/S和G/M/S的N₂吸附-解吸等溫線和相應的孔徑分布曲線。

要點二：G/S和G/M/S的微觀、宏觀形貌對比

圖2.?制備樣品的SEM圖像：(a) GO，(b-d) G/S，(e) MMT和(f-h) G/M/S；

(i, k) G/S冷凍干燥前后的實物圖；

(j, l) G/M/S冷凍干燥前后的實物圖。

要點三：G/M/S的合成機理圖

圖3.?(a) G/M/S的XPS圖譜；

(b, c, e) G/M/S的C?1s, O 1s和Ca?2p XPS圖譜；

(d) MMT和G/M/S的Al 2p XPS圖譜；

(f) G/M/S氣凝膠的合成機理圖。

要點四：單因素優化實驗

圖4. (a-d) 不同劑量、時間、溫度和pH值對Cu²⁺吸附的影響；

(e) G/S和G/M/S氣凝膠對Cu²⁺的去除效果；

(f)?共存陽離子對Cu²⁺吸附的影響。

要點五：用DOE評價各種因素對Cu²⁺吸附過程的影響

圖5.?(a) 標準化效應的正態圖；

(b) 去除效率標準化效應的Pareto圖；

(c) 吸附Cu²⁺的主要影響曲線；-1和1符號分別表示因子的低水平和高水平；

(d) 去除Cu²⁺的相互作用效應圖。

要點六：G/M/S的吸附選擇性機理

圖6.?(a) G/M/S氣凝膠的狹縫孔隙；

(b) 海藻酸鈣的離子交換；

(c) 五種水合離子的構型。

要點七：G/M/S的吸附機理

圖7.?(a) G/M/S吸附前后的FT-IR光譜；

(b) G/M/S吸附前后的XPS圖譜；

(c-e) G/M/S吸附后的Cu2p、O1s和C1s的XPS圖譜；

(f) G/M/S吸附后的EDS（內嵌Cu(Ⅱ)的映射圖）；

(g)?羧基、羥基和環氧與Cu²⁺的鍵合模型。

要點八：G/M/S的解吸循環機理

圖8.?(a) 吸附-解吸循環數據；

(b) G/M/S氣凝膠解吸前后(循環7次)的SEM圖像；

(c) G/M/S氣凝膠的解吸機理圖。

四、結論

本文采用冷凍干燥的方法合成了具有三維結構的G/M/S氣凝膠。采用FT-IR、TG、BET、SEM、EDS、XPS等表征手段，分析了G/M/S氣凝膠的微觀結構、形貌和去除平面水合銅離子的機理。可以得出以下結論：（1）G/M/S氣凝膠具有三維結構，由COO^--Ca²⁺-COO^-、Al-O-C、氫鍵等化學鍵交聯。（2）與G/S氣凝膠相比，G/M/S氣凝膠獲得了豐富的狹縫孔隙，更有利于選擇性去除平面水合銅離子，去除率可達95.1%。（3）經過7次吸附-解吸循環，銅離子的去除率仍可達83.0%。（4）G/M/S氣凝膠制備簡單，性能優良，是一種很有前景的去除廢水中銅離子的環保材料。

五、作者簡介

第一作者 郝欣：渤海大學化學工藝專業碩士研究生。研究興趣：功能吸附材料的開發與應用。目前以第一作者在J?Hazard Mater、J Alloys?Compd、J?Polym Environ期刊上發表SCI收錄論文3篇，獲得授權實用新型專利1項。

電子郵箱：haoxin7341@qq.com

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。在國內外相關領域的高水平期刊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11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

通訊作者 鄂濤：博士，教授，渤海大學環境工程專業帶頭人，碩士研究生導師。遼寧省毛皮綠色制造產業技術創新戰略聯盟理事長，渤海大學環境研究院副院長，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 CLEAN PROD，Mater. Today Chem，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25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。多項成果在企業轉化實施，單項專利轉化額度超100萬，近三年，科技成果轉化合同金額623萬。

電子郵箱：etao@bhu.edu.cn

六、文章信息

Xin Hao, Shuyi Yang*, Tao E*, Lin Liu, Dan Ma, Yun Li, Graphene oxide/montmorillonite composite aerogel with slit-shaped pores: selective removal of Cu²⁺?from wastewater. Journal of Alloys and Compounds.?DOI:10.1016/j.jallcom.2022.166335

第一作者：郝欣

通訊作者：楊姝宜、鄂濤

通訊單位：渤海大學

DOI:10.1016/j.jallcom.2022.166335