Advanced Functional Materials:纳米限域稳定亚稳态磷酸锆实现对重金属的高选择性去除

纳米材料因比表面积大、活性位点丰富,在深度水处理领域应用前景广阔。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特性及对污染物去除转化的影响对于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仍处于起步阶段。

南京大学环境纳米技术研究中心潘丙才教授、张孝林副教授、钱杰书教授等合作研究了限域条件下磷酸锆(ZrP)的生长规律及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ZrP结晶易生成热力学稳态a-ZrP,但均孔聚苯乙烯限域(7.9 nm)条件下易促进亚稳态的g-相ZrP的生成。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,吸附去除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非特异性的静电吸附机制不同,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选择性吸附去除。在Ca2+共存条件下,ZrP@MPS对Pb、Cd、Ni的吸附性能仅有微弱衰减,而同等条件下a-ZrP与阳离子交换树脂D001的吸附能力几乎消失殆尽。这一限域效应导致吸附机制的改变和吸附性能的提升也可扩展到磷酸钛(TiP)与磷酸锡(SnP)体系中。这一工作表明,“纳米限域”有望成为一种提高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构效调控提供理论指导与技术参考。

研究成果以“Metastable Zirconium Phosphate under Nanoconfinement with Superior Adsorption Capability for Water Treatment”为题发表于材料学主流刊物Advanced Functional Materials (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。