渤海大学鄂涛JECE:发现石墨烯片层堆叠形成的狭缝结构对Cu(II)具有选择性吸附

第一作者：季承

通讯作者：杨姝宜、鄂涛

通讯单位：渤海大学

DOI：10.1016/j.jece.2021.106819

图形摘要

研究背景

GO基气凝胶由于其具有优异的吸附性能和可重复使用性能，在环境处理领域受到了广泛关注。然而，以往的研究主要集中在GO基气凝胶材料的吸附性能，而关于GO基气凝胶中GO片层堆积产生的特殊结构，以及这种结构引起的吸附特性方面鲜有报道。此外，GO基气凝胶材料与重金属离子的相互作用机制还需详细研究。因此，在GO基气凝胶材料中构建狭缝型结构体系，并详细研究其对重金属的吸附机理，在废水处理领域具有十分重要的意义。

文章简介

近日，渤海大学化学与材料工程学院季承硕士研究生为第一作者，杨姝宜副教授和鄂涛副教授为通讯作者的研究成果《Three-dimensional network graphene oxide/sodium alginate aerogel beads with slit-shaped structure: synthesis, performance and selective adsorption mechanism for Cu(II)》在环境领域国际著名期刊《Journal of Environmental Chemical Engineering》（IF=5.909）发表。文中通过交联和冷冻干燥方法，利用GO的片层堆叠效应，成功制备出具有狭缝型结构的三维网络氧化石墨烯/海藻酸钠气凝胶珠（GSC），并用于选择吸附平面型水合铜离子。通过系列表征分析和批量吸附实验表明，GSC含有的狭缝型结构可以在干扰离子Zn(II)、Mn(II)和Cr(III)存在的情况下选择性吸附Cu(II)。此外，GSC也具有优异的可重用性。这项研究旨在GO基气凝胶材料中建立狭缝型结构体系，在含Cu(II)重金属废水深度处理领域具有巨大的应用潜力。

本文要点

要点一：GSC的微观形貌

图1：(a) GO的SEM图像；

(b) GSC水凝胶珠和GSC气凝胶珠的图片；

(c-e) GSC的SEM图像；

(f) GSC的氮气吸附-解吸等温线；

(g) GSC的孔径分布曲线；

(h-k) 从低到高放大倍数（20 μm-500 nm）的狭缝状结构的SEM图像。

要点二：GO、SA与Ca(Ⅱ)之间存在价键关系

图2：(a) GSC的XPS光谱；

(b) C 1s, (c) O 1s 和 (d) Ca 2p 的高分辨率XPS光谱；

(e) GO、SA和GSC的FTIR光谱；(f) GO和GSC的拉曼光谱；

(g) GO-SA、SA-[Ca(H₂O)₅]²⁺和GO-SA-[Ca(H₂O)₅]²⁺的优化结构图；

(h) GSC的结构图示意图。

要点三：GSC对Cu(II)的吸附特性

图3：(a) 不同吸附剂用量、吸附时间、温度和pH值的GSC的单因素实验；

 (b)标准化正态图；

(c) 主效应图；

(d) 标准化帕累托效应图；

(e) 标准化交互图；

(f) GSC的选择性；

(g) GSC 的可重用性。

要点四：GSC对Cu(II)的吸附机理

图4：(a) GSC气凝胶珠吸附Cu(Ⅱ)后的EDS图谱；

(b) GSC吸附Cu(Ⅱ)后的XPS光谱；

(c-d) Cu 2p、(e) C 1s和(f-h) O 1s的高分辨率XPS光谱。

要点五：密度泛函理论（DFT）计算

图5：(a) GSC, (b) [Cu(H₂O)₄]²⁺, (c) GSC-[Cu(H₂O)₄]²⁺, (d) GO-COOH-[Cu(H₂O)₄]²⁺, (e) GO-O-[Cu(H₂O)₄]²⁺, (f) GO-OH-[Cu(H₂O)₄]²⁺和(g) SA-[Cu(H₂O)₄]²⁺的优化结构图;

(h) GO-OH-[Cu(H₂O)₄]²⁺, (i) GO-O-[Cu(H₂O)₄]²⁺, (j) GO-COOH-[Cu(H₂O)₄]²⁺和(k) SA-[Cu(H₂O)₄]²⁺的电荷密度差。

要点六：GSC对Cu(Ⅱ)的吸附机理示意图

结论

本研究通过交联和冷冻干燥法成功制备了具有狭缝型结构的三维网络气凝胶GSC，以选择性地去除平面型水合铜离子[Cu(H₂O)₄]²⁺。批量实验表明在干扰离子Zn(II)、Mn(II)和Cr(III)存在的情况下，GSC对Cu(Ⅱ)具有较高的选择性吸附，这是由于内部形成了的狭缝型结构，相对于其他干扰离子，平面型水合铜离子[Cu(H₂O)₄]²⁺空间位阻较小，更容易进入GSC的狭缝型结构中，并与官能团发生相互作用。DFT计算结果表明，在GSC中，GO对Cu(II)的吸附占主导作用，官能团吸附能力大小遵循：-COOH>-O->-OH。

作者简介

通讯作者 鄂涛：渤海大学环境工程专业副教授，硕士生导师。辽宁省毛皮绿色制造产业技术创新战略联盟理事长，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. 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21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，近三年成果转化合同金额623万。

电子邮箱：etao@bhu.edu.cn

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J Hazard Mater，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13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

第一作者 季承：渤海大学化学工艺专业硕士研究生。研究兴趣：土壤固碳及功能吸附材料的研究。目前在J. Environ. Chem. Eng.期刊上发表SCI收录论文1篇。

电子邮箱：939564227@qq.com

文章信息

C. Ji, S. Yang ^*,T. E^*, Y. Cheng, X. Hao, Y. Li, Three-dimensional network graphene oxide/sodium alginate aerogel beads with slit-shaped structure: synthesis, performance and selective adsorption mechanism for Cu(Ⅱ).Journal of Environmental Chemical Engineering. DOI: 10.1016/j.jece.2021.106819

供稿人：渤海大学：季承