渤海大學鄂濤&程穎MTCHEM：蝕刻法構建Si-O-Mo鍵:增強MoS2/蒙脫土對Pb2+的選擇性吸附能力

研究背景

二硫化鉬（MoS₂）作為典型的二維納米材料，由于其顯著的化學和力學性能，加上其邊緣上的S基團，在吸附領域得到了廣泛的應用。根據軟硬酸堿理論，MoS₂中的S原子對Pb²⁺具有較強的吸附能力，這是因為S^2-對Pb²⁺的結合能力遠大于其他常見重金屬離子。因此，通常作為吸附劑去除水溶液中Pb²⁺。然而，由于層間范德華力和較高的表面能，MoS₂納米片很容易堆積，大大降低了活性位點的暴露程度，導致吸附能力較差。目前，2H相MoS₂已被廣泛應用于水中重金屬的去除。然而，由于電荷轉移能力較差，因此只有邊緣的S原子是活躍的。相比之下，1T相MoS₂可以引入更多的S空位，S空位既是結構缺陷又是提高吸附能力的活性位點。因此，1T相的生成對提高MoS₂的吸附能力具有重要意義。

文章簡介

近日，渤海大學化學與材料工程學院楊姝宜副教授為第一作者，程穎碩士研究生為第二作者，鄂濤教授為通訊作者的研究成果《Construction Si-O-Mo bond via etching method: enhancing selective adsorption capacity of MoS₂/montmorillonite to Pb²⁺》在國際著名期刊《Materials Today Chemistry》（中科院一區，IF=7.613）發表。本文提出了一種惰性基體表面活化策略，即將水熱法制備的MoS₂/蒙脫土(MMT)復合材料浸泡在NaF溶液中(F-Mt)。其中Na⁺插層誘導MoS₂中2H相轉變為1T相，提供大量的S空位，暴露出有效的Mo⁴⁺。同時，由于MMT結構中部分[Si₄O₁₀]^4-被F^-刻蝕，致使其表面被激活，形成Si-O-Mo鍵，促進電荷轉移。電荷轉移速率的提高使MoS₂中的S^2-積累了更多的負電荷，大大增強了對Pb²⁺的吸附能力。此外，活化惰性基底表面概念可以推廣到其他納米材料，使其在吸附方面發揮巨大的應用潛力。

圖形摘要

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本文要點

要點一: F-Mt的形貌及結構分析

圖1：

(a)和(c) Mt的SEM圖;

(b)和(d) F-Mt的SEM圖;

(e)-(h) F-Mt的TEM圖;

(i)和(j)?F-Mt的mapping和EDS圖。

圖2：

(a) Mt和F-Mt的Raman譜圖;

(b)和(c) Mo?3d和S 2p的高分辨率XPS譜圖；

(e)-(g) (2×2), (3×3) (4×4) MoS₂超胞結構吸附Pb²⁺后的PDOS譜圖;

(h)?Na⁺插層作用誘導MoS₂中2H相轉化為1T相的過程。

圖3：

(a) O 1s高分辨率XPS譜圖;

(b) Mt與F-Mt的IR譜圖；

(c)?NaF對MMT的刻蝕過程；

(d)和(e) Mt與F-Mt的CV曲線和阻抗曲線。

要點二：F-Mt對Pb²⁺的吸附性能及吸附機理

圖4：

(a) F-Mt用量、時間、溫度和pH對Pb²⁺去除效果的影響；

(b)?不同時間下Mt和F-Mt對Pb²⁺的去除率;

(c) 共存金屬離子對F-Mt吸附Pb²⁺的影響；

(d) 室溫下貯存60 d后F-Mt對Pb²⁺的吸附性能比較；

(e) Pb²⁺去除率標準化效應帕累托圖:(A) F-Mt投加量,?(B)時間, (C)溫度, (D) pH;

(f)?吸附正態圖;

(g) 影響Pb²⁺去除率的主要因素圖;

(h) 影響Pb²⁺去除率的相互作用效應圖。

圖5：

(a) F-Mt吸附Pb²⁺的循環使用壽命;

(b) F-Mt每次吸附-解吸循環后對應的SEM圖。

圖6：

(a) F-Mt吸附Pb²⁺前后的XRD譜圖;

(b)和(c)?F-Mt吸附Pb²⁺后的SEM圖;

(d)和(e) F-Mt吸附Pb²⁺后的mapping和EDS圖；

(f)-(h)?O 1s,?S 2p和Pb 4f的高分辨率XPS譜圖。

圖7：

(a)和(b) MoS₂和D-MoS₂的能帶結構圖;

(c)和(d) MoS₂和D-MoS₂吸附Pb²⁺后的PDOS圖。

結論

本研究通過水熱法將MoS₂原位生長在MMT表面，然后將其浸泡在NaF溶液中。得到的F-Mt可以有效地解決MoS₂納米片易堆積和疏水性的問題。此外，NaF中不僅Na⁺起到插層作用，F^-還參與刻蝕作用，有效提高邊緣活性位點的可用性，并促進F-Mt中Si-O-Mo鍵的形成。Si-O-Mo鍵的生成加速了MoS₂與MMT之間的電荷轉移速率，有助于增強S^2-的負電荷密度進而增強對Pb²⁺的吸附能力。

作者簡介

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，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

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作者 王遠飛：教授級高工，遼寧華電環保科技有限公司總經理，遼寧省有機廢棄物資源化利用重點實驗室主任，遼寧省優秀民營企業家，錦州市科技評審專家。“養殖業廢棄物生物發酵關鍵技術及綠色高效肥料創制”項目獲遼寧省科技進步二等獎；“基于蚯蚓生物效應的城市污泥處理技術研究與工程實踐”項目獲錦州市科技進步一等獎；第八屆中國創新創業大賽榮獲全國優秀企業獎。獲14項發明專利、1項實用新型專利。

電子郵箱：1335157666@qq.com

第一作者 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，J CLEAN PROD，ACS Appl Mater Interfaces，Sep Purif Technol，Mater. Today Chem，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16篇，擔任《Journal of Alloys and Compounds》，《Journal of Cleaner Production》，《Journal of Polymers and the Environment》等SCI知名期刊審稿人。

電子郵箱：yangshuyi@bhu.edu.cn

第二作者?程穎：渤海大學化學工藝專業碩士研究生。研究興趣：重金屬土壤修復和水體中重金屬的深度去除。目前在Mater. Today Chem，J. Environ. Chem. Eng，Inorg Chem. Commun期刊上發表SCI收錄論文4篇，主持渤海大學研究生創新基金項目1項，授權發明專利1項。

電子郵箱：15566531301@163.com

文章信息

S.?Yang,Y. Cheng, T. E*, Y. Wang,L. Liu, Y. Li**, D. Wang, J. Qian, Construction Si–O–Mo bond via etching method: enhancing selective adsorption capacity of MoS₂/montmorillonite to Pb²⁺. Materials Today Chemistry?2022, 26 101056.?https://doi.org/10.1016/j.mtchem.2022.101056

第一作者：楊姝宜

第二作者：程穎

通訊作者：鄂濤 李運

通訊單位：渤海大學

供稿人：渤海大學：程穎