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Nano Res.[合成]│厦大彭丽副教授、李军教授、杨述良副教授:MOF-聚硫辛酸复合材料从多种复杂水基质中快速提取金

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背景介绍


近年来,电子产业的蓬勃发展使得对贵金属例如金、银、钯、铂等的需求与日俱增。然而,目前有限的贵金属回收策略导致了地壳中黄金储量的快速消耗。据统计,全球电子废弃物中黄金价值预计约为100亿欧元,且城市污水、处理厂污水等多种水系统中也存在不同数量的金等贵金属。因此,如何从这些城市废弃物中选择性回收高价值金属引起了人们的广泛关注。此外,从复杂水基质例如海水、河水、电子废弃物浸出液中绿色且高效地提取高价值金属,对环境修复和绿色经济的发展也具有重要意义。然而,目前大多数已报道的吸附材料,在含有高浓度竞争性金属离子和有机干扰物的实际复杂水基质中,其综合性能很少得到全面评估。本工作基于功能复合材料易于合成且可控制备的优点,设计制备了吸金效果显著、稳定性优良、应用范围广泛的新型含硫复合材料,旨在为设计制备实用价值的贵金属回收材料提供理论及实验支撑。


成果简介


该工作通过原位聚合的方法将聚硫辛酸(pTA)引入金属有机框架(MOF)中,制备了一种高度多孔的MOF/聚合物复合材料Fe-BTC/pTA,并将其用于多种水体系中金的选择性回收。MOF的多孔结构赋予了功能性聚合物更高的分散性,为水体中金的快速吸附提供了充足的可接触活性位点,因此该材料具有高的吸附量(920 mg/g)、高的去除效率(>99%)和快速的吸附动力学(10分钟内金浓度低于0.1 ppb),从而使得该材料性能优于大多数已报道的含硫吸附剂。此外,该材料可以从河水、海水、CPU和手机主板浸出液中快速、选择性地提取黄金,从而在城市采矿实际应用中表现出一定的应用潜力。与此同时,该材料具备的吸附还原能力可将回收后的Au(III)还原为金属态的金纳米颗粒,从而使得相应的复合材料可以作为多相催化剂进一步催化有机污染物的降解。

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图1. Fe-BTC/pTA合成及吸附示意图


图文导读


采用原位聚合的方法制备了MOF/聚合物复合材料(Fe-BTC/pTA),PXRD、SEM表明复合后MOF的晶型及形貌得到很好的保持。N2吸脱附曲线、XPS、STEM以及EDX等表征结果表明聚硫辛酸成功引入MOF的孔道结构中,材料多孔性得到保持且聚合物均匀分布在多孔MOF载体中。

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图2. Fe-BTC/pTA相关表征。(a)Fe-BTC和(b)Fe-BTC/pTA的样品图片;(c-h)Fe-BTC和Fe-BTC/pTA的PXRD谱图、SEM图像、N2吸附解吸等温线、XPS全谱和S2p谱图;(i)切片后Fe-BTC/pTA@Au的STEM图像和对应的EDX图。

吸附性能测试结果表明:相比于纯聚合物,复合材料具备更大的吸附容量(920 mg/g)、更高的去除效率(>99%),和更快的吸附动力学过程。同时,在多种高浓度竞争性金属离子存在的情况下,该材料对Au (III)的选择性良好,pH应用范围广,循环再生效果优良,并可在多次富集回收后得到高纯度的金颗粒。

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图3. Fe-BTC/pTA吸附性能测试。(a-b)吸附等温线及其拟合曲线;(c-d)吸附动力学及其拟合曲线;(e)pTA和Fe-BTC/pTA对Au(III)的去除速率对比;(f)吸附前后模拟废水中各金属浓度对比;(g)Fe-BTC/pTA在不同pH下对Au(III)的去除效率;(h)吸附剂再生性能测试;(i)Fe-BTC/pTA富集回收后金颗粒的PXRD谱图。插图:金颗粒的光学显微镜。

最后,本工作系统评估了Fe-BTC/pTA在实际复杂水基质中的应用能力。结果表明:在含有高浓度竞争金属离子存在的条件下,该复合材料可以从长江水中快速、选择性地提取黄金(10分钟内低于0.1 ppb)。即使在复杂水基质例如海水、CPU和手机主板浸出液中,该材料的吸附选择性依旧表现优异。


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图4. Fe-BTC/pTA在复杂水体系中的应用。(a)Fe-BTC/pTA吸附前后长江水中各金属浓度对比以及(b)与Fe-BTC的吸附动力学对比。吸附前后CPU(c)和手机主板(e)浸出液中各金属浓度对比。CPU(d)和手机主板(f)的SEM图像和相应的元素分布图。


作者简介


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彭丽副教授简介:厦门大学化学化工学院副教授,特任研究员,博士生导师。福建省高层次人才(B类),厦门市高层次人才(B类),获厦门大学南强青年拔尖人才计划支持,主要研究方向为超临界流体应用、多孔材料的绿色可控制备以及CO₂转化与利用。在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Nat. Commun.,Sci. Adv., Chem. Sci.等期刊上发表论文60余篇,获得“中国科学院优秀博士学位论文”、“北京市优秀毕业生”、“唐敖庆化学奖”、“朱李月华优秀博士生”、“中国科学院优秀毕业生”、“中国科学院大学院长优秀奖”等奖项,担任Science Bulletin、科学通报青年编委。


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李军教授简介:厦门大学化学化工学院教授,博士生导师。主要从事超临界流体绿色化工过程的基础和应用研究,以超临界流体等介入材料/化学品的合成和分离、反应与分离耦合的过程强化等,并涉及其中的量化计算、分子模拟、过程模拟、过程装备等,开发了多套中试工艺装备/小型工业生产线。在包括Nat. Commun.,Angew. Chem. Int. Ed., Sci. Adv.,Chem. Eng. J.,Green Chem.等化学化工期刊上发表论文百余篇, 获授权国际、国家发明专利约50项。目前兼职中国化工学会理事, 福建省化工学会副理事长,《厦门大学学报(自然科学版)》、《化工进展》、《过程工程学报》等期刊编委。曾获厦门市优秀教师、宝钢优秀教师奖。


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杨述良副教授简介:厦门大学能源学院特任研究员。入选厦门大学南强青年拔尖人才支持计划,获得国家自然科学基金优秀青年科学基金项目(海外)资助。主要研究方向为多孔材料的设计合成、纳米催化、生物质及其复合材料的高效利用。在CCS Chem., Angew. Chem. Int. Ed., J. Am. Chem. Soc., Nat. Commun.,Sci. Adv., Chem. Sci.等期刊上发表论文80余篇,其中第一作者/通讯作者论文30篇。获得“北京市优秀毕业生”、“中国科学院大学优秀毕业生”、“朱李月华优秀博士生”、“中国科学院大学院长优秀奖”、“中国科学院化学研究所所长优秀奖”、“中国科学院化学研究所青年科学奖特别优秀奖”等奖项。


文章信息


Li R, Yan S, Xue T, et al. A MOF/poly(thioctic acid) composite for enhanced gold extraction from water matrices. Nano Research, 2023, https://doi.org/10.1007/s12274-023-6077-0.


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