青岛农大王丽丽团队Appl. Surf. Sci：ZIF衍生氮掺杂磁性分级碳实现超高吲哚-3-丁酸吸附的行为及机理分析

01 导读

吲哚-3-丁酸（IBA）是一种人工合成的外源植物生长激素，参与植物生长和代谢，也可作为杀虫剂衍生物用于杀虫和驱虫。残留在土壤和植物中的IBA最终在水生环境中积累，可能对人类和动物具有潜在毒性，包括致癌性、急性毒性、神经毒性和免疫毒性。因此，如何有效消除IBA污染仍然是一个艰巨的挑战。已经开发的技术中，吸附法具有成本效益高、操作简便、二次污染小等优点，被认为是最实用的处理方法之一。金属-有机框架材料（MOFs）是通过配位键将无机金属节点与有机配体组装而成的一种杂化晶体多孔材料，其用于吸附剂通常存在固有的缺点：（i）相对较弱的金属配体配位和对水的敏感性导致结构稳定性低，并限制了其在水生环境中的应用；（ii）金属节点和有机配体的配位饱和中心使得污染物难以在金属位点附近相互作用；（iii）粉末形式的MOFs限制了从吸附系统的分离和再生，并可能导致二次污染。MOFs衍生的磁性多孔碳材料可以有效解决上述问题。

02 成果掠影

近日，青岛农业大学王丽丽教授团队通过对双层MOFs结构ZIF-8@ZIF-67进行碳化，制备的氮掺杂磁性中空多孔碳（MHPCs）具有良好的IBA吸附性能。高温下 ZIF-8中的金属锌蒸发及有机配体分解产生的空心结构使得 MHPCs具有分级孔结构并具有较高的比表面积。ZIF-67壳的 Co²⁺节点被高温还原成磁性金属钴，赋予了MHPCs强的顺磁性质，使吸附剂在体系中快速分离并回收从而避免了二次污染。通过吸附动力学、等温线和热力学研究了 MHPCs/IBA体系的吸附过程，发现 IBA在 MHPCs上是化学吸附主导的吸附过程且 MHPC-700具有最高的吸附容量 598.3 mg·g^-1（25 ℃）。进一步探究的吸附机理表明 MHPC吸附 IBA主要涉及氢键相互作用、孔隙填充、表面复合和弱的π-π相互作用。

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

03 数据概览

图1 (a) MHPCs的合成过程示意图；ZIF-8@ZIF-67的形貌（b, c）SEM，（f）TEM，MHPC-700（碳化温度700℃）的形貌（d, e）SEM，（g）TEM，（h，i）HRTEM，（j）SEAD和（k）HAADF-STEM和相应 EDX元素映射图

图2 不同碳化温度的 MHPCs（a-c）的氮气吸附-脱附等温线和孔径分布及其拉曼光谱（d）磁性曲线（e），Zeta电位图，初始 pH对 MHPCs的吸附容量的影响数据图（g-i）

图3 (a) 不同吸附剂对 IBA的吸附量；(b) 准一级，(c) 准二级动力学的线性拟合；(d) 颗粒内扩散模型；不同 IBA初始浓度下的 MHPCs吸附的 (e) Langmuir和 (f) Freundlich吸附等温线模型

图4 MHPC-700吸附机理示意图

04 成果启示

IBA在MHPCs上的吸附过程被证实是以化学吸附为主，优化出的 MHPC-700材料具有分层多孔结构和大量缺陷，在25 ℃下最大吸附容量为 598.3 mg⋅g^-1。吸附过程涉及氢键相互作用、孔隙填充、表面络合和弱 π-π相互作用。最重要的是，MHPC-700可以很容易地被磁铁分离，并通过乙醇洗脱有效再生，并且在 5次循环后仍表现出较高的吸附容量 286.8 mg⋅g^-1。这些优异的特性使 MHPC-700有望成为一种有前途的吸附剂，有效用于农药衍生物废水的实际修复。

05 文献链接

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