渤海大学鄂涛&程颖MTCHEM：蚀刻法构建Si-O-Mo键:增强MoS2/蒙脱土对Pb2+的选择性吸附能力

研究背景

二硫化钼（MoS₂）作为典型的二维纳米材料，由于其显著的化学和力学性能，加上其边缘上的S基团，在吸附领域得到了广泛的应用。根据软硬酸碱理论，MoS₂中的S原子对Pb²⁺具有较强的吸附能力，这是因为S^2-对Pb²⁺的结合能力远大于其他常见重金属离子。因此，通常作为吸附剂去除水溶液中Pb²⁺。然而，由于层间范德华力和较高的表面能，MoS₂纳米片很容易堆积，大大降低了活性位点的暴露程度，导致吸附能力较差。目前，2H相MoS₂已被广泛应用于水中重金属的去除。然而，由于电荷转移能力较差，因此只有边缘的S原子是活跃的。相比之下，1T相MoS₂可以引入更多的S空位，S空位既是结构缺陷又是提高吸附能力的活性位点。因此，1T相的生成对提高MoS₂的吸附能力具有重要意义。

文章简介

近日，渤海大学化学与材料工程学院杨姝宜副教授为第一作者，程颖硕士研究生为第二作者，鄂涛教授为通讯作者的研究成果《Construction Si-O-Mo bond via etching method: enhancing selective adsorption capacity of MoS₂/montmorillonite to Pb²⁺》在国际著名期刊《Materials Today Chemistry》（中科院一区，IF=7.613）发表。本文提出了一种惰性基体表面活化策略，即将水热法制备的MoS₂/蒙脱土(MMT)复合材料浸泡在NaF溶液中(F-Mt)。其中Na⁺插层诱导MoS₂中2H相转变为1T相，提供大量的S空位，暴露出有效的Mo⁴⁺。同时，由于MMT结构中部分[Si₄O₁₀]^4-被F^-刻蚀，致使其表面被激活，形成Si-O-Mo键，促进电荷转移。电荷转移速率的提高使MoS₂中的S^2-积累了更多的负电荷，大大增强了对Pb²⁺的吸附能力。此外，活化惰性基底表面概念可以推广到其他纳米材料，使其在吸附方面发挥巨大的应用潜力。

图形摘要

本文要点

要点一: F-Mt的形貌及结构分析

图1：

(a)和(c) Mt的SEM图;

(b)和(d) F-Mt的SEM图;

(e)-(h) F-Mt的TEM图;

(i)和(j) F-Mt的mapping和EDS图。

图2：

(a) Mt和F-Mt的Raman谱图;

(b)和(c) Mo 3d和S 2p的高分辨率XPS谱图；

(e)-(g) (2×2), (3×3) (4×4) MoS₂超胞结构吸附Pb²⁺后的PDOS谱图;

(h) Na⁺插层作用诱导MoS₂中2H相转化为1T相的过程。

图3：

(a) O 1s高分辨率XPS谱图;

(b) Mt与F-Mt的IR谱图；

(c) NaF对MMT的刻蚀过程；

(d)和(e) Mt与F-Mt的CV曲线和阻抗曲线。

要点二：F-Mt对Pb²⁺的吸附性能及吸附机理

图4：

(a) F-Mt用量、时间、温度和pH对Pb²⁺去除效果的影响；

(b) 不同时间下Mt和F-Mt对Pb²⁺的去除率;

(c) 共存金属离子对F-Mt吸附Pb²⁺的影响；

(d) 室温下贮存60 d后F-Mt对Pb²⁺的吸附性能比较；

(e) Pb²⁺去除率标准化效应帕累托图:(A) F-Mt投加量, (B)时间, (C)温度, (D) pH;

(f) 吸附正态图;

(g) 影响Pb²⁺去除率的主要因素图;

(h) 影响Pb²⁺去除率的相互作用效应图。

图5：

(a) F-Mt吸附Pb²⁺的循环使用寿命;

(b) F-Mt每次吸附-解吸循环后对应的SEM图。

图6：

(a) F-Mt吸附Pb²⁺前后的XRD谱图;

(b)和(c) F-Mt吸附Pb²⁺后的SEM图;

(d)和(e) F-Mt吸附Pb²⁺后的mapping和EDS图；

(f)-(h) O 1s, S 2p和Pb 4f的高分辨率XPS谱图。

图7：

(a)和(b) MoS₂和D-MoS₂的能带结构图;

(c)和(d) MoS₂和D-MoS₂吸附Pb²⁺后的PDOS图。

结论

本研究通过水热法将MoS₂原位生长在MMT表面，然后将其浸泡在NaF溶液中。得到的F-Mt可以有效地解决MoS₂纳米片易堆积和疏水性的问题。此外，NaF中不仅Na⁺起到插层作用，F^-还参与刻蚀作用，有效提高边缘活性位点的可用性，并促进F-Mt中Si-O-Mo键的形成。Si-O-Mo键的生成加速了MoS₂与MMT之间的电荷转移速率，有助于增强S^2-的负电荷密度进而增强对Pb²⁺的吸附能力。

作者简介

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，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

作者 王远飞：教授级高工，辽宁华电环保科技有限公司总经理，辽宁省有机废弃物资源化利用重点实验室主任，辽宁省优秀民营企业家，锦州市科技评审专家。“养殖业废弃物生物发酵关键技术及绿色高效肥料创制”项目获辽宁省科技进步二等奖；“基于蚯蚓生物效应的城市污泥处理技术研究与工程实践”项目获锦州市科技进步一等奖；第八届中国创新创业大赛荣获全国优秀企业奖。获14项发明专利、1项实用新型专利。

电子邮箱：1335157666@qq.com

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

电子邮箱：yangshuyi@bhu.edu.cn

第二作者 程颖：渤海大学化学工艺专业硕士研究生。研究兴趣：重金属土壤修复和水体中重金属的深度去除。目前在Mater. Today Chem，J. Environ. Chem. Eng，Inorg Chem. Commun期刊上发表SCI收录论文4篇，主持渤海大学研究生创新基金项目1项，授权发明专利1项。

电子邮箱：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：杨姝宜

第二作者：程颖

通讯作者：鄂涛 李运

通讯单位：渤海大学

供稿人：渤海大学：程颖