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南京大学在水处理复合纳米材料限域效应及其应用方面取得新进展
南京大学科技处 / 时间:2020-01-23 10:24:40

通过将纳米材料固定化制备具有限域结构的复合材料是克服其易团聚失活、难操作、潜在环境风险等规模化水处理应用瓶颈最为有效的策略之一,研究限域条件下纳米材料的生长规律及对污染物去除转化的影响对于推动创新实用型纳米水处理技术具有重要意义,但目前这一方向的研究还未得到充分关注。

潘丙才教授、张孝林副教授课题组高度重视应用基础研究对技术创新的支撑作用,近期研究了限域磷酸锆(ZrP)对重金属的吸附特性。ZrP是一类常见的层状磷酸盐,可通过离子交换作用吸附重金属离子。研究发现,常温常压下开放体系中可形成稳定的a-ZrP,但类似条件下在均孔聚合物(7.9 nm)限域空间内生长形成的ZrP出现了亚稳态的g-相(图1)。亚稳态结构的形成使得复合材料(ZrP@MPS)中P-O键长变短、键能增加,吸附重金属行为发生明显改变。以典型重金属离子Pb为例,ZrP@MPS的吸附分配系数(Kd)可达a-ZrP的10-90倍,污染物净化活性显著提高。尤为重要的是,与a-ZrP非特异性的静电作用不同,ZrP@MPS主要通过特异性较强的内圈配位作用实现对重金属的吸附去除(图1),对Pb、Cd、Ni的吸附去除受共存Ca2+干扰较小,同等条件下a-ZrP与D001的吸附能力几乎消失殆尽(图2)。研究还测试了限域条件下生长形成的磷酸钛(TiP)与磷酸锡(SnP),发现其对重金属的吸附机理均从离子交换转变为内圈配位,吸附选择性得到显著提高,表明“纳米限域”有望成为一种改善纳米材料尤其是磷酸盐材料吸附选择性的新策略。本研究有助于深入理解复合纳米材料的高效除污机制,并可为高性能水处理复合纳米材料的研制提供理论指导与技术参考。

图1。  ZrP@MPS (a)与a-ZrP (b)吸附重金属机理示意

图2。共存Ca2+对ZrP@MPS、a-ZrP与D001吸附Pb (a)、Cd (b)与Ni (c)的影响

研究成果以“Metastable Zirconium Phosphate under Nanoconfinement with Superior Adsorption Capability for Water Treatment”被材料学主流刊物Advanced Functional Materials接收(DOI:10.1002/adfm.201909014)。论文第一作者为张孝林副教授,通讯作者为潘丙才教授,南京大学环境学院硕士研究生沈嘉琳、博士研究生潘思远、南京理工大学钱杰书教授为共同作者。本研究得到了国家自然科学基金与国家重点研发计划纳米科技专项的资助。


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