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上海交大/华中师大张礼知/李浩团队Angew：机械力化学巯基乙酸钠修饰微米零价铁用于高效重金属去除

邃瞳科学云 · 公众号 · 科技创业 · 2024-10-05 16:34

主要观点总结

本文介绍了上海交通大学环境科学与工程学院张礼知和李浩团队在《德国应用化学》上发表的一篇研究论文，该论文研究了机械力化学方法制备的双官能团巯基乙酸钠（TG）修饰的微米级零价铁（mZVI）在重金属去除方面的应用。论文详细讨论了改性mZVI增强和重金属反应的内在机制，并强调了该改性策略在拓展mZVI于环境领域应用方面的重要性。

关键观点总结

关键观点1: 研究背景

mZVI作为一种低成本的环境修复材料，能够同时实现重金属的还原、解毒和固定。然而，mZVI在去除重金属的过程中，其性能受到表面惰性氧化层的限制。

关键观点2: 研究目的

本研究通过机械力化学巯基乙酸钠（TG）修饰改变mZVI的硬度和弹性模量，以增强其对重金属的吸附和去除效率。

关键观点3: 研究方法

采用机械力化学方法制备了双官能团TG修饰的mZVI，并通过一系列实验验证了其性能。利用AFM、HRTEM等手段表征了材料结构，通过pDOS耦合COHP分析揭示了重金属与材料之间的相互作用机制。

关键观点4: 研究结果

TG me -mZVI展现出优异的电子转移和重金属吸附能力，实现了多种重金属的高效去除。特别是Ni II 的去除效果，其超高移除容量优于大多数报道的重金属去除材料。

关键观点5: 研究应用

利用塔流式反应器进行地下水Ni II 原位修复实验，证明了TG me -mZVI在实际水体修复中的潜力。其稳定运行超过10天，并符合中国地下水水质标准和国际水质标准。

关键观点6: 研究意义

本研究为高性能mZVI环境修复材料的制备提供了新的策略，为实际和可持续修复重金属污染水体提供了潜在的材料。

正文

第一作者：祖军宁

通讯作者：李浩

通讯单位：上海交通大学

论文DOI: 10.1002/anie.202415051

成果简介

近日，上海交通大学环境科学与工程学院张礼知/李浩团队在 德国应用化学《Angew. Chem. Int. Ed.》 上发表了题为“ Mechanochemical Thioglycolate Modification of Microscale Zero-Valent Iron for Superior Heavy Metal Removal ”的研究论文。 该工作采用机械力化学方法制备了双官能团巯基乙酸钠 （HS-CH ₂ COO ^– ，TG ）修饰的mZVI。TG通过其具有拉电子效应的羧基（-COO ^– ）与mZVI惰性氧化层建立了稳固的共价键，加速了铁核电子的释放，并通过巯基（-SH）与重金属离子之间的金属（d）-硫（p）轨道杂化，显著增强了重金属在mZVI表面的吸附，从而实现了多种重金属（包括Ni ^II 、Cr ^VI 、Cd ^II 、Pb ^II 、Hg ^II 、Sb ^III 等）的去除和固定。论文详细 讨论了改性mZVI增强和重金属反应的内在机制，并强调该改性策略在拓展mZVI于环境领域应用方面的重要性。 论文第一作者为华中师范大学化学学院博士生祖军宁，通讯作者为上海交通大学环境科学与工程学院副教授李浩。

全文速览

重金属污染是全球性的重大水环境问题。微米级零价铁（mZVI）作为一种低成本的环境修复材料，能够同时实现重金属的还原、解毒和固定。然而，mZVI在去除重金属的过程中，其性能受到表面惰性氧化层的限制，这层氧化物会物理阻碍铁核电子的释放，从而影响重金属的吸附和还原效率。本研究通过机械力化学巯基乙酸钠（HS-CH ₂ COO ^– , TG）修饰改变了mZVI硬度和弹性模量，导致mZVI被压扁且氧化铁壳层的厚度得以减薄，从而暴露mZVI上更多的活性位点用于结合TG。同时，机械摩擦和碰撞产生的热量进一步促进了TG的拉电子-COO ^– 基团与惰性氧化壳之间建立更牢固的共价键，加速铁核电子的释放，并通过其巯基（-SH）与重金属离子之间的金属（d）-硫（p）轨道杂化更有效地加强表面重金属的吸附。该机械力化学TG修饰mZVI（TG ^me -mZVI）去除Ni ^II 、Cr ^VI 、Cd ^II 、Pb ^II 、Hg ^II 和Sb ^III 的等重金属速率较普通mZVI提高了16.7到88.0倍。此外，TG ^me -mZVI展现出破纪录的580.4 mg Ni g ⁻¹ Fe的超高Ni ^II 去除容量，分别是mZVI和湿法化学TG修饰mZVI（TG ^im -mZVI）的17.1和9.5倍高。pDOS耦合COHP分析揭示了更强的Ni（d）-S（p）轨道杂化有助于-SH比-OH更能实现Ni ^II 的自发吸附。塔流式反应器中稳定去除地下水里Ni ^II 超过10天，表明了TG ^me -mZVI具有长期稳定的反应性。本研究报道了机械力化学TG修饰策略同时增强铁核的电子转移和氧化壳对重金属的吸附，极大提升重金属去除性能，并为设计高性能mZVI环境修复材料提供了新策略。

本文亮点

(1) 首次构建了双官能团TG（HS-CH ₂ COO ^– ）修饰的mZVI。得益于机械力化学过程促使TG与mZVI的惰性氧化壳之间牢固共价键的构建，TG ^me -mZV展示出优异的电子转移和重金属吸附能力，实现580.4 mg Ni g ⁻¹ Fe的超高Ni ^II 去除容量，优于大多数报道的重金属去除材料。

(2) TG的拉电子-COO ^– 基团将更多电子局域在-SH的S原子上，显著增强M(d)-S(p)轨道杂化，实现了重金属Ni ^II 的自发吸附。

(3) 利用塔流式反应器进行地下水Ni ^II 原位修复实验，缺氧环境下，稳定运行超10 d并保持出水Ni ^II 含量低于0.02 mg L ⁻¹ ，符合中国地下水水质III标准（GB/T 14848-2017）和世界卫生组织和欧盟（98/83/EEC）的水质标准。

(4) 机械力化学过程诱导的TG与mZVI之间牢固的共价键合可以大大降低S浸出的环境风险。

背景介绍

mZVI具有典型的“核壳结构”，其可以通过铁氧化物（FeOx）壳层表面的路易斯酸碱位点实现重金属的吸附和固定。但是，固有的惰性FeOx壳层也严重阻碍了铁核电子的释放，从而影响重金属的吸附和还原效率。向mZVI中引入金属元素（Ni、Pd和Ag等）或加入导电载体（碳纳米管和沸石等）可以促进铁核电子释放，但可能会引发副反应并产生H ₂ ，从而降低电子对目标重金属的选择性。使用S和N元素掺杂mZVI可以通过表面离子极化增强mZVI的疏水性，进而抑制H ₂ 的产生，并增强其电子选择性，但是这种电子选择性更有利于去除疏水性的有机污染物，尤其是卤代烃。虽然通过有机化合物（像氨丙基三甲氧基硅烷、聚丙烯酸和聚乙烯亚胺等）改性FeOx壳层可以增加mZVI对重金属的化学亲和力，但在长期运行的过程中这些有机化合物可能会带来潜在的环境风险和/或危害。因此，开发绿色、高效的改性策略同时增强铁核的电子转移和氧化壳对重金属的吸附对于高性能mZVI的制备至关重要。

TG是一种拥有拉电子-COO ^– 基团和较小电负性-SH基团的双官能团的环保型矿物浮选药剂，理论上可以促进铁核电子转移并为重金属捕获提供可靠的吸附位点。但是，传统浸渍法由于弱的静电相互作用，TG通常在mZVI表面形成不稳定的表面络合物，造成重金属去除性能较差。机械力化学通过局部压力和热量可以促进mZVI表面发生化学反应。因此我们采用机械力化学TG修饰mZVI，促使TG的拉电子-COO ^– 基团与mZVI的惰性FeOx壳层之间建立牢固的共价键，并揭示了mZVI形变过程和TG修饰增强mZVI和重金属反应性的内在机制。

图文解析

重金属去除性能

Figure 1. Heavy metals removal performances of the TG-modified mZVI. a) Advantages and disadvantages of bulk and surface modification for heavy metal removal by mZVI. b) Comparison of standard reduction potentials of Fe ^III /Fe ^II and Fe ^II /Fe ⁰ with heavy metal pairs. c) Efficiencies and d) kinetic enhancements for different heavy metal removal by mZVI and TG-modified mZVI prepared through different methods (Conditions: [Ni ^II /Cd ^II /Pb ^II /Hg ^II ] ₀ = 20 ppm, [Cr ^VI ] ₀ = 10 ppm, [Sb ^III ] ₀ = 2 ppm, [TG ^me -mZVI] ₀ = 1.0 g L ^–1 , pH = 6.5). e) Tafel polarization curves of the mZVI and TG-modified mZVI. f) Time profiles of the OCP values of the mZVI and TG-modified mZVI after the addition of Ni ^II into the solution. g) Ni ^II removal capacity of mZVI and TG-modified mZVI (Initial Ni ^II concentration: 1000 mg L ⁻¹ ). h) The Ni 2p XPS spectra of TG-modified mZVI after Ni ^II removal. i) The actual molar percentage of TG on TG ^im -mZVI and TG ^me -mZVI. j) Schematic illustration of the mechanochemical process in constructing strong interactions between TG and mZV.

TG ^me -mZVI具有优异的重金属去除效率，其去除Ni ^II 、Cr ^VI 、Cd ^II 、Pb ^II 、Hg ^II 和Sb ^III 等重金属的速率较mZVI提高了16.7到88.0倍。此外，TG ^me -mZVI展现出破纪录的580.4 mg Ni g ⁻¹ Fe的超高Ni ^II 移除容量，分别是mZVI和TG ^im -mZVI的17.1和9.5倍高。TG ^me -mZVI增强的电子传递能力和强大的重金属吸附能力归因于机械力化学促使TG与mZVI的惰性氧化壳之间牢固共价键的建立。TG和mZVI之间牢固的共价键也减少了S的溶出，减小了环境风险。

结构表征

Figure 2. Structure characterization and morphological evolution of mZVI during the dry mechanochemical process. a) The height profiles along the lines in AFM image of TG ^me -mZVI. b) Nanoindentation loading-displacement curves and c) Nanohardness and Yong’s modulus of mZVI and TG ^me -mZVI. d) HRTEM images (inset shows the corresponding SAED pattern), e) enlarged HRTEM images, and f) the strain distribution patterns of mZVI and TG ^me -mZVI. g) Schematic illustration of TG-induced morphology deformation and lattice contraction within mZVI.

机械力化学TG修饰很大程度减小了mZVI的硬度和弹性模量，机械力难以穿透整个颗粒，使得mZV被压扁并削薄了氧化铁壳层的厚度。较薄的氧化壳层暴露mZVI上更多的活性位点来结合TG，而机械摩擦和碰撞产生的热量进一步促进了TG的拉电子-COO ^– 基团与惰性FeOx壳层之间建立更牢固的共价键，进而加速铁核电子的释放，从而增加了铁核与电子之间的静电吸引力，导致TG ^me -mZVI呈现晶格收缩。

配位构型分析

Figure 3. Coordination configuration of TG on mZVI. a) In situ ATR-FTIR spectra of TG adsorbed on TG ^me -mZVI surface. b) Correlation between theoretical and experimental frequencies of monodentate mononuclear coordination of TG on ZVI. c) Fourier transform of k ³ -weighted Fe Kedge EXAFS spectra of mZVI and TG ^me -mZVI using Fe-foil, FeS, and Fe ₂ O ₃ as the references. d) Normalized Fe k-edge XANES spectra of the TG ^me -mZVI and AC ^me -mZVI. e) UPS spectra of mZVI and TG ^me -mZVI. f) Deformation charge density of TG-modified ZVI calculated by DFT with the isovalues of 0.002 a.u. TG is coordinated on ZVI in a monodentate mononuclear structure according to ATR-FTIR. Charge accumulation is labeled as the yellow isosurface and the charge depletion labeled as the bule one

通过原位ATR-FTIR和Gaussian模拟确定了TG在ZVI上的单齿单核配位。并通过EXAFS和DFT计算明确了-COO ^– 基团的拉电子效应。

重金属Ni ^II 的去除

Figure 4. Enhanced adsorption of Ni ^II by TG-modified mZVI. a) Adsorption energy of Ni ^II on ZVI and TG-modified ZVI. The pDOS (left) and pCOHP (right) curves of -SH group on TG-modified ZVI before b) and after c) Ni ^II adsorption. d) ICOHP values of TG-modified ZVI before and after Ni ^II adsorption. e) The pDOS curves of Ni 3d orbitals in ZVI and TG-modified ZVI. f) ELF slices of ZVI and TG-modified ZVI

pDOS耦合COHP分析揭示了-SH/-OH和Ni ^II 的相互作用。相较于Ni-O成键，Ni-S成键导致在S原子p轨道费米能级以下形成一个新的占据态，表明强的Ni（d）-S（p）轨道杂化，并伴随着S电子云的重分布。Ni-S键的ICOHP值较Ni-O键的ICOHP值更大，进一步证明了Ni（d）-S（p）轨道杂化更强。此外，Ni 3d轨道的pDOS分析显示未占据轨道比例减少，已占据轨道比例增加，反映了轨道电子从S向Ni ^II 的转移。价电子定位函数(ELF)也直观地描述了Ni吸附后的强Ni（d）-S（p）轨道杂化。因此，由于Ni（d）-S（p）较Ni（d）-O（p）更强的d-p轨道杂化，进而实现了-SH对Ni ^II 的自发吸附。

地下水重金属修复

Figure 5. Stability and potential practical application of TG ^me -mZVI. a) Ni ^II concentration change in the effluent from a continuous-flow reactor equipped with a column filled with TG ^me -mZVI and quartz sand-filled. Reaction conditions: [Ni ^II ] ₀ = 3 ppm, mZVI dosage = 1.0 g, quartz sand = 100 g, flow rate = 3 mL min ⁻¹ . b) Ni ^II removal rate constants of TG ^me -mZVI and other ZVI forms under same reaction conditions. c) The application prospect of TG ^me -mZVI towards the remediation of heavy metals-contaminated groundwater.

利用塔流式反应器进行地下水Ni ^II 原位修复实验，缺氧环境下，稳定运行超10 d并保持出口Ni ^II 含量低于0.02 mg L ⁻¹ ，符合中国地下水水质III标准（GB/T 14848-2017）和世界卫生组织和欧盟（98/83/EEC）的水质标准。

总结与展望

本工作证明了机械力化学TG修饰mZVI可以明显增强重金属去除。与传统湿法化学工艺（浸渍法）相比，该干法机械力化学工艺通过TG的拉电子-COO ^– 基团与ZVI的惰性氧化壳之间建立更牢固的共价键，加速了铁核电子的释放，并通过其-SH与重金属离子之间的金属（d）-硫（p）轨道杂化更有效地加强了表面重金属的吸附。具体而言，TG ^me -mZVI实现了580.4 mg Ni g ⁻¹ Fe的超高Ni ^II 移除容量，优于现有报道的重金属去除材料。利用塔流式反应器进行地下水Ni ^II 原位修复实验，缺氧环境下可以稳定运行超10 d。此外，机械力化学过程诱导的TG与mZVI之间牢固的共价键可以大大降低S浸出的环境风险。价格低廉的TG ^me -mZVI凭借其优异的反应活性和耐久性将在地表水、地下水甚至土壤等重金属污染水体的实际和可持续修复方面展现出具有巨大潜力。

作者介绍

李浩，上海交通大学环境科学与工程学院长聘教轨副教授，博士生导师，优秀青年科学基金项目（海外）获得者。从事污染控制化学、光/电催化和纳米环境材料等领域的研究，负责和主持国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市科技创新计划等项目。以第一作者和通讯作者在Nat. Sustain.、Nat. Commun.、PNAS、JACS、Angew. Chem.、ES&T等化学、环境学术期刊发表论文40余篇，其中12篇入选ESI高被引论文，论文累被引用8000余次，相关工作入选ES&T年度最佳论文和ACS Editors' Choice。目前担任Sustainability Science and Technology编委，Nano-Micro Letters、Fundamental Research青年编委，2019年获湖北省自然科学一等奖，2023年获湖北省自然科学二等奖。

张礼知， 上海交通大学环境科学与工程学院特聘教授，国家杰出青年科学基金获得者，科技部中青年科技创新领军人才计划，教育部长江学者特聘教授，中组部万人计划科技创新领军人才。已获授权中国发明专利50余项，其中授权美国专利2项。在Nature Sustainability、Nature Communications、Chem、PNAS、JACS、Angew Chem、AM、ES&T、WR等国际学术期刊发表论文420余篇，其中34篇入选ESI高被引论文，1篇入选ESI热点论文。论文已被引用49500多次，其中他引48100多次，H因子121。担任中国可再生能源学会太阳光化学专业委员会委员、英国物理学会出版社Sustainability Science and Technology期刊执行编委，Applied Catalysis B Environmental and Energy、化学学报、化学进展、环境化学、环境科学等杂志编委。2008年获得湖北省自然科学二等奖（第一完成人），2011年获湖北省青年科技奖，并入选湖北省自主创新“双百计划”，2012年入选湖北省高端人才引领培养计划和湖北省高层次人才工程，2014年起连续入选Elsevier发布“化学领域中国高被引学者榜单”，2015年获教育部高等学校科学研究优秀成果奖（科学技术）自然科学二等奖（第一完成人），2018年起连续入选 Clarivate交叉领域全球高被引科学家榜单，2019年获湖北省自然科学一等奖（第一完成人）, 2023年获湖北省自然科学二等奖（第一完成人）。