渤海大学鄂涛教授&郝欣J. Alloys Compd.：SA交联GO和MMT纳米片构筑狭缝孔隙选择性去除Cu2+

图形摘要

一、研究背景

氧化石墨烯(GO)由于其出色的吸附能力，被广泛认为是金属离子分离处理水污染的优选材料。虽然GO在处理重金属方面显示出了巨大的潜力，但在处理过程中容易发生团聚，降低了GO吸附重金属的能力。此外，在采用高速离心或过滤分离时，进行回收过程需要耗费大量的精力和时间。因此，基于丰富的含氧官能团和较大的比表面积，可以使GO成为具有化学功能性质的材料。因此，本研究选用氧化石墨烯基凝胶材料来解决上述问题。以氧化石墨烯为基础的凝胶材料表现出凝胶独有的特性(具有大比表面积和开放的多孔结构)，不仅很好地保留了氧化石墨烯的含氧官能团，而且交联剂的加入可以引入更多的含氧官能团。本研究结果为设计和制备具有选择性去除平面水合铜离子能力的气凝胶提供了新的思路。

二、文章简介

近日，渤海大学化学与材料工程学院郝欣硕士研究生为第一作者，杨姝宜副教授和鄂涛教授为通讯作者的研究成果《Graphene oxide/montmorillonite composite aerogel with slit-shaped pores: selective removal of Cu²⁺ from wastewater》在国际知名期刊《Journal of Alloys and Compounds》(中科院top期刊，IF=6.371)发表。该文章基于氧化石墨烯(GO)与蒙脱土(MMT)的堆叠，以及与海藻酸钠(SA)的交联，制备了具有丰富狭缝孔隙的气凝胶，可选择性吸附Cu²⁺，称为G/M/S气凝胶。结果表明，制备的G/M/S气凝胶具有较大的比表面积(266.3 m² g^-1)和较高的去除率(95.1%)，通过创造丰富的裂缝状孔隙，可以选择性地去除平面形水合铜离子。并对共存阳离子的复杂体系进行了竞争吸附实验，表明吸附顺序为Cu²⁺ >> Zn²⁺ > Mn²⁺ > Cr³⁺ > Cr⁶⁺。此外，通过DOE研究了单因素对G/M/S气凝胶吸附Cu²⁺的影响，确认影响顺序为pH > 剂量 > 温度 > 时间。上述结果表明，G/M/S气凝胶是一种具有选择性去除废水中Cu²⁺潜力的材料。

03本文要点

要点一：G/S和G/M/S的成键方式、热稳定性、孔径对比

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

(c, d) G/S和G/M/S的TG曲线；

(e, f) G/S和G/M/S的N₂吸附-解吸等温线和相应的孔径分布曲线。

要点二：G/S和G/M/S的微观、宏观形貌对比

图2. 制备样品的SEM图像：(a) GO，(b-d) G/S，(e) MMT和(f-h) G/M/S；

(i, k) G/S冷冻干燥前后的实物图；

(j, l) G/M/S冷冻干燥前后的实物图。

要点三：G/M/S的合成机理图

图3. (a) G/M/S的XPS图谱；

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

(d) MMT和G/M/S的Al 2p XPS图谱；

(f) G/M/S气凝胶的合成机理图。

要点四：单因素优化实验

图4. (a-d) 不同剂量、时间、温度和pH值对Cu²⁺吸附的影响；

(e) G/S和G/M/S气凝胶对Cu²⁺的去除效果；

(f) 共存阳离子对Cu²⁺吸附的影响。

要点五：用DOE评价各种因素对Cu²⁺吸附过程的影响

图5. (a) 标准化效应的正态图；

(b) 去除效率标准化效应的Pareto图；

(c) 吸附Cu²⁺的主要影响曲线；-1和1符号分别表示因子的低水平和高水平；

(d) 去除Cu²⁺的相互作用效应图。

要点六：G/M/S的吸附选择性机理

图6. (a) G/M/S气凝胶的狭缝孔隙；

(b) 海藻酸钙的离子交换；

(c) 五种水合离子的构型。

要点七：G/M/S的吸附机理

图7. (a) G/M/S吸附前后的FT-IR光谱；

(b) G/M/S吸附前后的XPS图谱；

(c-e) G/M/S吸附后的Cu2p、O1s和C1s的XPS图谱；

(f) G/M/S吸附后的EDS（内嵌Cu(Ⅱ)的映射图）；

(g) 羧基、羟基和环氧与Cu²⁺的键合模型。

要点八：G/M/S的解吸循环机理

图8. (a) 吸附-解吸循环数据；

(b) G/M/S气凝胶解吸前后(循环7次)的SEM图像；

(c) G/M/S气凝胶的解吸机理图。

四、结论

本文采用冷冻干燥的方法合成了具有三维结构的G/M/S气凝胶。采用FT-IR、TG、BET、SEM、EDS、XPS等表征手段，分析了G/M/S气凝胶的微观结构、形貌和去除平面水合铜离子的机理。可以得出以下结论：（1）G/M/S气凝胶具有三维结构，由COO^--Ca²⁺-COO^-、Al-O-C、氢键等化学键交联。（2）与G/S气凝胶相比，G/M/S气凝胶获得了丰富的狭缝孔隙，更有利于选择性去除平面水合铜离子，去除率可达95.1%。（3）经过7次吸附-解吸循环，铜离子的去除率仍可达83.0%。（4）G/M/S气凝胶制备简单，性能优良，是一种很有前景的去除废水中铜离子的环保材料。

五、作者简介

第一作者 郝欣：渤海大学化学工艺专业硕士研究生。研究兴趣：功能吸附材料的开发与应用。目前以第一作者在J Hazard Mater、J Alloys Compd、J Polym Environ期刊上发表SCI收录论文3篇，获得授权实用新型专利1项。

电子邮箱：haoxin7341@qq.com

通讯作者 杨姝宜：渤海大学环境工程专业副教授，硕士生导师。研究兴趣：土壤修复技术和固体废物资源化。在国内外相关领域的高水平期刊ACS Appl Mater Interfaces, Sep Purif Technol, J. Alloys Compd等国际著名期刊上以第一/通讯作者发表SCI收录论文11篇，担任《Journal of Alloys and Compounds》、《Journal of Polymers and the Environment》SCI期刊审稿人。

电子邮箱：yangshuyi@bhu.edu.cn

通讯作者 鄂涛：博士，教授，渤海大学环境工程专业带头人，硕士研究生导师。辽宁省毛皮绿色制造产业技术创新战略联盟理事长，渤海大学环境研究院副院长，锦州市金属材料产业创新联盟专家委员，渤海大学环保产业技术研究所所长。研究兴趣：化工清洁生产工艺，土壤与水污染修复技术、低碳减碳工艺技术开发及钛基功能材料的制备工艺及应用。在ACS Appl Mater Interfaces，J Hazard Mater，Sep Purif Technol，J CLEAN PROD，Mater. Today Chem，J. Environ. Chem. Eng等国际著名期刊上以第一/通讯作者发表SCI收录论文25篇，主持24项科研项目，以第一发明人获得授权发明专利13项。多项成果在企业转化实施，单项专利转化额度超100万，近三年，科技成果转化合同金额623万。

电子邮箱：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

通讯作者：杨姝宜、鄂涛

通讯单位：渤海大学

DOI:10.1016/j.jallcom.2022.166335