同济大学王志伟团队Nat. Commun.：强配位介导废水中重金属有机络合物的单步资源回收

成果简介

同济大学王志伟教授团队在 Nature 子刊 Nature Communications 上发表了题为“ Strongly coordinating mediator enables single-step resource recovery from heavy metal-organic complexes in wastewater ”的论文。论文提出了一种基于强配位介导电还原（ CMBER ）策略，用于从重金属有机络合物污染的废水中一步回收重金属。该策略通过将重金属配位能力强于络合物配体的胺肟基（ C-NH ₂ (-N-OH) ）功能化到穿透式电极上，使电极能通过配位交换反应自发从重金属有机络合物中捕获重金属离子，并原位电还原为重金属单质进行回收，避免了现有研究中需要破坏络合物配体并经过后续处理工艺才能回收重金属的复杂过程。该策略为络合态重金属的资源回收提供了新思路 。

图文导读

强配位介导电还原（ CMBER ）过程示意图。

络合态重金属是工业废水中难以处理的一类污染物。由于重金属与有机配体之间存在强配位作用，破坏重金属 - 有机配位键是释放重金属离子以进行后续还原和回收的关键步骤。高级氧化法和电氧化法通常依赖强氧化剂或大量能量输入破坏络合物有机配体以释放重金属离子，并且需要后续工艺回收重金属。因此，开发一种在不破坏络合物有机配体前提下高效回收重金属的方法是解决这些问题的关键。受络合物配位交换反应的启发，研究提出了一种强配位介导电还原（ CMBER ）策略，能从含有重金属有机络合物的工业废水中高效地回收重金属。与络合物的有机配体相比，胺肟基对重金属离子具有更强的配位能力，可以直接从络合物中自发地捕获重金属离子，而无需破坏有机配体。随后，被捕获的金属可直接进行原位电还原为单质进行回收 。

CMBER 中重金属有机络合物的捕获和电还原回收性能

在未施加电势时，胺肟化 电极能自发地捕获重金属直至位点饱和。施加 −0.9 V vs. Ag/AgCl 的电势后，胺肟化电极仍能继续捕获重金属，而未胺肟化电极全程未表现出显著的重金属捕获性能。这些结果表明，重金属有机络合物中的重金属离子是先被胺肟基捕获后再被电还原为金属单质。在 3.0 V 的施加电压下， CMBER 系统实现了 97.6% 的 Cu(II) 回收率，还原的铜单质均匀分布在碳纳米纤维表面。施加电压为 4.2 V 时，胺肟化电极能分别从 Ni(II)-EDTA 和 Pb(II)-EDTA 中回收 93.2% 的 Ni(II) 和 94.4% 的 Pb(II) 。结果证明了胺肟化电极从重金属有机络合物中捕获和回收重金属的能力 。

CMBER 的重金属回收机制

解析了胺肟基对重金属的自发捕获和回收机制。以 Cu(II)-EDTA 为例，在第 Ⅰ 阶段， Cu-O 与 Cu-N 峰面积比为 1.76 ，表明 Cu(II)-EDTA 中的两个羧基可能优先被胺肟基的 -N-OH 取代（ Δ G =−0.51 eV ），此时 Cu(II)-EDTA 为四配位结构；第 Ⅱ 阶段， Cu-O 与 Cu-N 峰面积比降低到 0.48 ，表明 Cu(II)-EDTA 中的两个剩余羧基可能被胺肟基的 -NH ₂ 取代（ Δ G =−2.47 eV ）；第 III 阶段， Cu-O 与 Cu-N 峰面积比增加到 0.89 ，表明胺肟基完成了捕获 Cu(II) （ Δ G =−3.61 eV ）。第 IV 阶段，捕获的 Cu(II) 被还原为金属铜，同时胺肟基位点得到了再生，进入下一轮 Cu(II)-EDTA 去除循环。

CMBER 技术经济性能与稳定性

CMBER 系统回收 Cu(II) 的能效（以每千瓦时电能回收的铜计）为 340.1 g kWh ⁻¹ ，超过了文献中报道的现有技术五倍，在运行约 130 小时后仍能保持 ~80% 的 Cu(II) 回收效率。此外， CMBER 系统能有效回收实际工业废水中的铜，出水符合中国电子行业的水污染物排放标准（ GB 39731-2020 ）的要求，表明 CMBER 具有较好的实际应用前景 。