青島農大王麗麗團隊Appl. Surf. Sci：ZIF衍生氮摻雜磁性分級碳實現超高吲哚-3-丁酸吸附的行為及機理分析

01 導讀

吲哚-3-丁酸（IBA）是一種人工合成的外源植物生長激素，參與植物生長和代謝，也可作為殺蟲劑衍生物用于殺蟲和驅蟲。殘留在土壤和植物中的IBA最終在水生環境中積累，可能對人類和動物具有潛在毒性，包括致癌性、急性毒性、神經毒性和免疫毒性。因此，如何有效消除IBA污染仍然是一個艱巨的挑戰。已經開發的技術中，吸附法具有成本效益高、操作簡便、二次污染小等優點，被認為是最實用的處理方法之一。金屬-有機框架材料（MOFs）是通過配位鍵將無機金屬節點與有機配體組裝而成的一種雜化晶體多孔材料，其用于吸附劑通常存在固有的缺點：（i）相對較弱的金屬配體配位和對水的敏感性導致結構穩定性低，并限制了其在水生環境中的應用；（ii）金屬節點和有機配體的配位飽和中心使得污染物難以在金屬位點附近相互作用；（iii）粉末形式的MOFs限制了從吸附系統的分離和再生，并可能導致二次污染。MOFs衍生的磁性多孔碳材料可以有效解決上述問題。

02 成果掠影

近日，青島農業大學王麗麗教授團隊通過對雙層MOFs結構ZIF-8@ZIF-67進行碳化，制備的氮摻雜磁性中空多孔碳（MHPCs）具有良好的IBA吸附性能。高溫下 ZIF-8中的金屬鋅蒸發及有機配體分解產生的空心結構使得 MHPCs具有分級孔結構并具有較高的比表面積。ZIF-67殼的 Co²⁺節點被高溫還原成磁性金屬鈷，賦予了MHPCs強的順磁性質，使吸附劑在體系中快速分離并回收從而避免了二次污染。通過吸附動力學、等溫線和熱力學研究了 MHPCs/IBA體系的吸附過程，發現 IBA在 MHPCs上是化學吸附主導的吸附過程且 MHPC-700具有最高的吸附容量 598.3 mg·g^-1（25 ℃）。進一步探究的吸附機理表明 MHPC吸附 IBA主要涉及氫鍵相互作用、孔隙填充、表面復合和弱的π-π相互作用。

該成果以“Zeolitic-imidazolate framework derived magnetic N-doped hierarchical carbons with ultrahigh indole-3-butyric acid adsorption capacities: Behavior and mechanism”為題，發表于Applied Surface Science上。

03 數據概覽

圖1?(a) MHPCs的合成過程示意圖；ZIF-8@ZIF-67的形貌（b, c）SEM，（f）TEM，MHPC-700（碳化溫度700℃）的形貌（d, e）SEM，（g）TEM，（h，i）HRTEM，（j）SEAD和（k）HAADF-STEM和相應?EDX元素映射圖

圖2?不同碳化溫度的?MHPCs（a-c）的氮氣吸附-脫附等溫線和孔徑分布及其拉曼光譜（d）磁性曲線（e），Zeta電位圖，初始 pH對 MHPCs的吸附容量的影響數據圖（g-i）

圖3?(a) 不同吸附劑對 IBA的吸附量；(b) 準一級，(c) 準二級動力學的線性擬合；(d) 顆粒內擴散模型；不同?IBA初始濃度下的 MHPCs吸附的?(e) Langmuir和?(f) Freundlich吸附等溫線模型

圖4?MHPC-700吸附機理示意圖

04 成果啟示

IBA在MHPCs上的吸附過程被證實是以化學吸附為主，優化出的?MHPC-700材料具有分層多孔結構和大量缺陷，在25 ℃下最大吸附容量為?598.3 mg?g^-1。吸附過程涉及氫鍵相互作用、孔隙填充、表面絡合和弱?π-π相互作用。最重要的是，MHPC-700可以很容易地被磁鐵分離，并通過乙醇洗脫有效再生，并且在?5次循環后仍表現出較高的吸附容量 286.8 mg?g^-1。這些優異的特性使?MHPC-700有望成為一種有前途的吸附劑，有效用于農藥衍生物廢水的實際修復。

05 文獻鏈接

Chuancong Yuan, Wang Zhang, Peng Li, Lili Wang, Zeolitic-imidazolate framework derived magnetic N-doped hierarchical carbons with ultrahigh indole-3-butyric acid adsorption capacities: Behavior and mechanism, APPL. SURF. SCI. 613(2023) 156029

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0169433222035577?via%3Dihub