第一作者：刘世华
通讯作者：赵宇飞教授、林彦军教授、李光超教授
通讯单位：北京化工大学、衢州资源化工创新研究院、
香港理工大学
论文DOI:10.1016/j.ccr.2024.216268
随着工业发展和城市化进程的推进，含重
/贵金属的工业污染排放对人类健康和生态系统构成了重大威胁，极为严峻的重金属污染形势已经引起党和国家的高度重视，习总书记近期在科学家座谈会上指示“一些地区农业面源污染、耕地重金属污染严重”，土壤修复工作迫在眉睫。保护土壤环境是党中央作出的重大战略部署，是青山绿水的必然要求。为此，将重金属资源治理、高效回收和再利用可以有效缓解当前的资源和能源危机。为了应对上述挑战，新型处理材料的研发以及热、光、电化学处理方法的不断升级，为重/贵金属污染水/土的有效修复和回收开辟了更多潜在的途径。北京化工大学段雪院士团队赵宇飞教授、林彦军教授、孔祥贵副教授等介绍了二维层状LDH基超稳矿化材料修复土壤重金属污染技术，并讨论了其他处理材料的发展前景以及耦合热/光/电化学等外场进展。此外，还讨论了从含有重金属/贵金属的城市废物和废水中回收金属的各种策略，强调了提高回收性能的可持续方法。
图1. 重金属、贵金属污染的治理与资源化利用进展
1. 总结了在重金属和贵金属处理与回收领域的最新进展。
2. 讨论了超稳矿化修复材料及光/电化学技术耦合超稳矿化在重金属与贵金属治理和回收领域的应用。
3. 对重金属和贵金属处理与回收目前进展、主要挑战和发展前景进行了展望。
重金属污染，如铅、铬等，对健康和生物多样性构成重大威胁，这些污染物在环境中持久且易生物蓄积，对实施有效控制措施提出挑战；同时从废物流中回收贵资源也是可持续发展战略的重要组成部分。传统技术，如吸附、离子交换等，虽能有效降低重金属浓度，但在回收效率和成本控制方面存在局限。例如，化学沉淀法易产生大量污泥，而吸附和离子交换法在处理低浓度废水时效果有限，且成本高昂。使用有害浸出剂回收贵金属也可能带来健康和环境风险。利用修复材料治理土壤污染普遍存在长久性差、成本高等问题。近年来，新型材料如层状双金属氢氧化物（俗称水滑石，LDHs），凭借其二维结构内多重作用力、高表面积、可调孔径和选择性矿化重金属能力，为重金属污染治理提供了新途径。同时，创新地与热/光/电化学方法耦合也展现出巨大潜力，如热化学和光化学方法降解污染物，电化学方法选择性回收有价金属，为实现高效、环保的重金属去除/回收提供了新前景。因此，探索先进方法/材料以平衡污染控制与资源回收，对于保护环境和自然资源具有重要意义。
层状双金属氢氧化物（LDHs）材料对重金属离子具有稳定矿化能力，其结构内独特的共价键、分子弱相互作用，可以促进LDHs通过同晶取代、表面络合、层间限域、静电吸引、离子交换的多种作用力将多种重金属离子（Cu、Ni、Cd、Zn、Co等）转变为更为稳定的超稳矿化态（SMSS），以大幅降低重金属离子在环境中的迁移性和生物有效性，进而阻断重金属离子进入生态循环，具有土壤重金属原位修复的长期有效性。基于此，
段雪院士团队
于2021年在国际上首先提出LDHs材料固定重金属“超稳矿化”原创思想，并对土壤重金属稳定化修复技术中有关超稳矿化等概念做出定义，提出按土壤重金属与材料结合后的溶度积常数（Ksp) <10
-30
（或pKsp > 30），即定义为超稳矿化态。团队首先采用CaAl-LDH有效矿化Cd
2+
离子，表现出快速的去除动力学和高矿化能力（图2），在土壤修复领域展现了极强的稳定性。
图2. 超稳定矿化材料在重金属稳定中的应用
团队近期对LDHs的粒径与缺陷进行调控，以改善重金属离子的矿化性能。超薄MgFe-LDH纳米片相对于块体MgFe-LDH显示出异常高的矿化能力，达到662 mg/g，矿化容量提升三倍。对于低浓度的重金属离子溶液，利用超薄MgFe-LDH 材料可以将其降低至痕量。利用 XAFS 表征结果具体确定了 Cu
2+
的吸附位点，Cu
2+
在 MgFe-LDH 上的吸附位点为层板表面，且有较大概率锚定在 Mg在吸附过程中溶出而形成的 Mg空位上。进一步研究缺陷对LDH材料矿化重金属性能影响，在350℃下煅烧的富含缺陷的单层MgAl-LDH具有1385.8 mg/g的Cd
2+
去除能力，为LDH 超稳矿化材料的设计和应用提供了思路。
图3. LDHs材料缺陷与粒径调控对矿化重金属性能的影响
贵金属因为其独特且稀缺的性质使得含贵金属废液有着极高的回收价值。LDHs 材料以其独特的结构特性，在光场强化下对污染物的处理表现出显著的促进作用。针对超低浓度的贵金属污染废水，光催化方法展现出了其独特的优势。与传统的光催化材料二氧化钛相比，本课题组采用矿化重金属制备MCaCrLDH (M = Co/Ni/Cu/Zn)，用于处理含金印刷电路板废水化剂，能够高选择性地还原溶液中的贵金属离子，实现近 80%的还原率，从而达到资源回收的目的。即使在PCB浸出废水中存在Cu离子的情况下，MCaCr-LDH在将AuCl
4
-
光催化转化为单质Au
0
时，对Au的还原效率达到约80%，显著超过TiO
2
的23.5%还原效率，这一特性有利于废水中痕量贵金属离子的富集和还原（图4）。
图4. LDHs超稳矿化剂大田修复万吨级生产线
上述超稳矿化思想得到了国内外学术界的认可，团队先后承担基金委、科技部、青海省和衢州资源化工创新研究院多种自主立项项目，国家自然科学基金委还以“超稳矿化材料修复重金属污染土壤效果显著”为题，刊发专题，并上报中办、国办和全国人大常委会办公厅及国家科技管理部门。以衢州资源化工创新研究院为中试基地，实现了超稳矿化材料的精准合成、规模化制备，并优化成核晶化隔离法，首次实现大比表面单层超稳矿化材料的规模制备。设计并建成LDHs超稳矿化材料间歇式生产线，建成山东万新威纳材料有限公司3000吨/年、江苏隆昌化工有限公司10000吨/年、青海德令哈20000吨/年生产线，并通过青海科技厅的鉴定。牵头编制了 LDHs 超稳矿化材料行业标准，申请专利 30 件，获授权 15 件，获国家科技进步二等奖 3 项、省部级科技奖励 9 项，发表的学术论文50篇以上，被引千余次，国内外学者认可LDH材料作为土壤重金属修复的优势材料，进一步突破大规模制备关键技术，实现万吨级产业化，在海南，湖南等地修复了Cd污染十万亩，LDH具有耐酸性，高选择性，矿化容量大，速度快，且长效，并且可以释放Mg肥，起到趋肥靶向的作用，完成修复示范实践。科技部农村司于2019年4月调研后形成了产业科技创新调研报告：LDHs矿化材料是土壤修复剂的最佳选择和替代品，长效性和稳定性非常高；并获得农业部认定土壤调理证。基于上述基础，超稳矿化土壤修复通过了中国石化联合会科技成果鉴定，在化工资源有效利用国家重点实验室衢州基地建成检测评价中心，进一步服务江浙地区。围绕超稳矿化为核心的学术和技术成果不仅验证了超稳矿化材料优异的性能，也为土壤修复领域提供了新的解决方案。
图5. LDHs材料缺陷与粒径调控对矿化重金属性能的影响
此外，该综述还介绍了MOF类材料、纳米零价铁、生物炭材料以及其他膜分离技术等新型处理技术在重/贵金属污染废水/土壤治理与回收的进展（图6）
。
图6. 其他材料对重金属处理示意图
鉴于资源有限及可持续发展的需求，建立全面处理重金属污染的系统至关重要，该系统需融合基本处理与回收再利用的综合策略。传统方法仍在应用，而新材料与新工艺正逐步革新废水/土壤污染处理技术，促使研究人员探索将重金属废物转化为资源的途径。贵金属的二次回收尤为关键，但传统回收技术伴随环境风险。因此，需采用多元回收策略，推进重/贵金属的绿色循环。此领域仍然面临如下诸多挑战：
1. 开发新型绿色低成本矿化稳定材料，既对特定重金属有高选择性，又能在恶劣环境下保持优异稳定性能。
2. 重金属回收需兼顾回收率、纯度和经济价值，从废物中回收金属资源是缓解金属供应危机的方法，但高纯度、高价值回收仍面临挑战。
3. 创新工艺技术与设备，整合光催化、电催化、离子交换、吸附、矿化、膜分离等工艺，构建高效、多适应性的综合处理体系，并评估生产操作的可扩展性。
4. 利用可再生能源（如太阳能、风能）治理重金属污染，降低对传统能源的依赖及碳排放，研发环境友好材料与设备，减少二次污染风险。
赵宇飞教授简介：
教授，博士生导师，科技部重点研发计划青年科学家首席，基金委重点项目负责人、基金委优秀青年基金获得者 (结题优秀)、中国科协青年人才托举工程入选者，2019-2023年连续五年科睿唯安全球高被引学者，2021-2023年爱思唯尔中国高被引学者，入选美国斯坦福大学发布的2024全球前2%顶尖科学家榜单。2013年博士毕业于北京化工大学，获博士学位，导师段雪院士；2011-2012、2018年在牛津大学Dermot O'Hare、 Edman Tsang教授实验室访问。2013至 2017年于中国科学院理化技术研究所超分子光化学研究中心工作。2018年加入北京化工大学，就职于北京化工大学化工资源有效利用国家重点实验室，从事水滑石基纳米材料的可控合成及其在矿化和催化方面的研究。迄今共发表 SCI论文 120余篇，总引 23500余次， H因子 71。其中以第一 /通讯作者在 Chem. Soc. Rev.、 J. Am. Chem. Soc.、 Angew. Chem. Int. Ed.、 Adv. Mater.以及化工领域期刊 AIChe J等 SCI期刊上发表论文 80余篇，已授权国家发明专利 25项。出版 RSC英文专著一部；入选美国化学会2023 Ind Eng Chem
Res “有影响力研究者”（2023 Class of Influential Researchers），2022年石油化学工业联合会科技进步二等奖 、2021中国感光学会特等奖。
Shihua Liu, Qiuhong Sun,
Nuo Xu, Yawen Wang, Yang Li, Jinhao Li, Zilong Li, Vishnu D. Rajput, Tatiana
Minkina, Xianggui Kong, Guangchao Li
*
, Yanjun Lin
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, Yufei
Zhao
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, Xue Duan, ''Recent advances in the treatment of
heavy/precious metal pollution, resource recovery and reutilization: progress
and perspective''.
Coordin. Chem. Rev
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文献链接：
https://doi.org/10.1016/j.ccr.2024.216268
Nuo Xu, Zilong Li,
Shihua Liu, Zixian Li, Huijie Liu, Wenjing Cao, Yawen Wang, Wa Gao, Qiang Tian,
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Super-stable mineralization of
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Zixian Li, Nuo Xu, Jing
Ren, Haigang Hao, Rui Gao, Xianggui Kong, Hong Yan,Xiao Hua, Shulan Ma, Yufei
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Theory-driven design of cadmium
mineralizing layered double hydroxides for environmental remediation
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Sci., 2024, 15, 13021–13031.
赵宇飞教授招收光/电催化硕士研究生、考核制博士研究生
至2024 年，北京化工大学招收博士不再需要通过考试，实行考核制，即满足一定条件，通过学院面试即可录取为博士研究生；现因研究工作需要，赵宇飞教授拟招收具有光、电催化、材料化学方面研究基础的博士生1-2名。欢迎对科研感兴趣的同学报考。
一、拟开展的研究工作
1、太阳能光热催化合成
2、二维催化材料的设计以及能源转化应用
二、相关要求
1、工作踏实，积极主动，对科研有热情，有良好的合作精神，能迅速融入团队工作；科研基础技能扎实，学习能力强。
2、有好奇心。
3、已通过英语六级或者相当水平的托福、雅思等资格英语考试。
三、相关待遇机会
1、提供生活补助；研究生经培训可以独立操作重点实验室仪器：HRTEM、SEM、XRD、ESR、IR、UV-vis、GC、电化学工作站等设备。
2、经过严格训练，具备独立科研、撰写中英文文章和做报告的实力。
3、提供参加国内外学术会议的机会，积极推荐国家公派出国，去牛津大学、西班牙瓦伦西亚大学，以及韩国、美国、日本等大学继续深造。
4、在国重基地衢州资源化工创新研究院从事科研助理，并提供攻读北京化工大学博士机会。
四、申请材料及要求
申请者以电子文本提交个人材料，其中包括：
1、个人简历 （附上六级英语成绩、研究基础简介等）
五、联系方式
请将申请材料的电子版发送至联系人邮箱，我们收到简历后会在一周内与申请人联系。欢迎来邮件咨询。邮件标题需要注明：姓名-硕士/博士面试
联系人：赵宇飞 邮箱：[email protected]
课题组网站：https://www.x-mol.com/groups/zhao_yufei
地址：北京朝阳区北三环东路15号北京化工大学
六、
课题组介绍
所在课题组依托北京化工大学化工资源有效利用国家重点实验室，具有完备的材料合成、表征及催化性能评价条件；并且和国外课题组联系密切，提供给研究生广阔的科研平台和继续攻读学位，以及出国深造的机会。
1) 课题组可供使用的设备：拥有量化计算平台、荧光光谱仪、紫外光谱仪、高效液相色谱仪、气相色谱仪、光电催化系统、CO
2
高压光催化反应釜、太阳能光催化分解水制氢系统等仪器，高压反应釜、电化学工作站、理论计算服务器等。
