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昆明學(xué)院何紅星副教授、張毅副教授聶陟楓研究員：開發(fā)納米“捕金網(wǎng)”電捕焦油！季銨化電紡纖維高效回收廢水中黃金
黃金（Au）因其優(yōu)異的導(dǎo)電性、穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)以及獨(dú)特的催化特性，在電子工業(yè)、催化工程及高端珠寶制造加工等領(lǐng)域具有不可替代的應(yīng)用價(jià)值電捕焦油。隨著資源日益緊張，從二次資源中回收黃金變得至關(guān)重要。近年來，金屬有機(jī)框架（MOFs）、共價(jià)有機(jī)框架（COFs）和功能化聚合物等吸附材料在金回收領(lǐng)域展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景，然而這些材料在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨諸多挑戰(zhàn)，包括復(fù)雜的合成工藝、高昂的生產(chǎn)成本、較差的耐酸性以及回收再生困難等問題。相較而言，靜電紡絲納米纖維材料因其制備工藝簡單、成本效益顯著、可循環(huán)利用性強(qiáng)等優(yōu)勢而備受關(guān)注。更重要的是，這類材料具有優(yōu)異的酸堿穩(wěn)定性和高比表面積，為功能化修飾提供了理想的載體，能夠確保吸附位點(diǎn)的高效暴露和充分利用。因此，開發(fā)基于靜電紡絲納米纖維的功能材料，實(shí)現(xiàn)冶金廢水中金的高效回收，對(duì)于促進(jìn)貴金屬資源的可持續(xù)利用具有重要的戰(zhàn)略意義。
近日，昆明學(xué)院云南省金屬有機(jī)分子材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室何紅星副教授、張毅副教授和聶陟楓研究員團(tuán)隊(duì)在期刊《Separation and Purification Technology》上，發(fā)表了靜電紡絲技術(shù)最新研究成果“Quaternary amine-functionalized electrospun nanofibers for selective gold capture: Experimental and DFT calculation study”電捕焦油。該團(tuán)隊(duì)通過利用靜電紡絲技術(shù)結(jié)合季銨化改性工藝成功開發(fā)出一種的季銨功能化靜電紡絲納米纖維材料——GA-PVA/PEI-Cl，并將其應(yīng)用于冶金廢水中“金”的高效富集回收領(lǐng)域。研究發(fā)現(xiàn)，GA-PVA/PEI-Cl在6小時(shí)即可達(dá)到吸附平衡，吸附動(dòng)力學(xué)和吸附容量優(yōu)于絕大部分已報(bào)道的吸附劑材料。此外，GA-PVA/PEI-Cl在模擬廢水中對(duì)Au(III)具有高選擇性，其分配系數(shù)高達(dá)49249.6 mL/g。同時(shí)，GA-PVA/PEI-Cl也表現(xiàn)出良好的循環(huán)性能，經(jīng)過5次循環(huán)后，其吸附效率基本保持不變。
圖1：GA-PVA/PEI-Cl納米纖維的形貌和結(jié)構(gòu)表征電捕焦油。
圖2：GA-PVA/PEI-Cl的FTIR、BET和EDS表征電捕焦油。
通過靜電紡絲技術(shù)結(jié)合季銨化改性工藝，制備出具有離子液體特性的GA-PVA/PEI-Cl納米纖維電捕焦油。如圖1所示，制備的基質(zhì)材料PVA/PEI納米纖維具有隨機(jī)取向的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，表面光滑無串珠，平均直徑為350 ± 10 nm。經(jīng)戊二醛（GA）交聯(lián)處理后，纖維形成交錯(cuò)的多孔結(jié)構(gòu)，表面粗糙度增加，平均直徑略微增大至370 ± 10 nm。季銨化改性后樣品的形貌與改性前相似，表面光滑無塌陷，但平均直徑增大至425 ± 10 nm，這可能是由于在聚合物結(jié)構(gòu)中引入烷基鏈的丙基所致。通過比較GA-PVA/PEI-Cl改性前后的傅里葉紅外光譜（FT-IR）、掃描電鏡（SEM）、透射電鏡（TEM）等表征說明季銨化改性成功。通過GA-PVA/PEI-Cl納米纖維吸附前后的X射線光電子能譜(XPS)和能譜分析（EDS）可以驗(yàn)證Au被成功吸附于材料表面。
圖2：pH和溫度對(duì)吸附過程的影響電捕焦油。
圖3：吸附過程的吸附動(dòng)力學(xué)和吸附等溫線擬合電捕焦油。
圖4：GA-PVA/PEI-Cl對(duì)Au(Ⅲ)吸附的選擇性和循環(huán)性電捕焦油。
圖5：XPS譜圖和電化學(xué)表征電捕焦油。
圖6：吸附過程的相關(guān)DFT計(jì)算電捕焦油。
圖7：吸附機(jī)理圖電捕焦油。
通過研究吸附過程不同條件（pH、溫度、初始濃度和時(shí)間）對(duì)吸附過程的影響，結(jié)果表明整個(gè)吸附過程為自發(fā)吸熱反應(yīng)，吸附容量隨溫度升高而增加電捕焦油。通過對(duì)吸附過程的動(dòng)力學(xué)和吸附等溫線分析，表明吸附主要是由單分子層控制的化學(xué)吸附為主。在模擬工業(yè)廢水的復(fù)雜環(huán)境中，GA-PVA/PEI-Cl對(duì)Au(III)具有顯著的選擇性和有效的吸附率。通過密度泛函理論（DFT）計(jì)算和X射線光電子能譜技術(shù)（XPS）對(duì)吸附的機(jī)理分析得到，吸附過程主要涉及靜電、配位和氧化還原三種機(jī)制的協(xié)同作用?？傊?，這項(xiàng)研究不僅成功制備了一種高性能的納米纖維金吸附劑，更通過實(shí)驗(yàn)與理論計(jì)算的緊密結(jié)合，深入解析了其作用機(jī)制。GA-PVA/PEI-Cl納米纖維憑借其制備簡便、高效、高選擇性、可循環(huán)的顯著優(yōu)勢，為從電子垃圾處理液、冶金廢水等復(fù)雜體系中高效回收黃金提供了一種極具潛力的新技術(shù)方案，對(duì)推動(dòng)貴金屬資源的可持續(xù)利用具有重要意義。
論文鏈接：hts://doi.org/10.1016/j.seppur.2025.133945
人物簡介：
楊新濤，昆明學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院2024級(jí)材料與化工專業(yè)碩士研究生，2020至今曾獲得“優(yōu)秀志愿者”、“校級(jí)優(yōu)秀學(xué)生干部”、“優(yōu)秀共青團(tuán)員”等榮譽(yù)，主持2022年云南省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目1項(xiàng)電捕焦油。
何紅星，工學(xué)博士，昆明學(xué)院副教授，碩士生導(dǎo)師，黨政辦公室主任，云南省“興滇英才引進(jìn)計(jì)劃”青年人才電捕焦油。云南省高校食品安全檢測技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、云南省金屬有機(jī)分子材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室骨干成員；擔(dān)任《安全與環(huán)境學(xué)報(bào)》期刊青年編委、昆明市食品工程中級(jí)專業(yè)技術(shù)職稱評(píng)審專家。近年來，主研國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目3項(xiàng)，主持參與省部級(jí)項(xiàng)目5項(xiàng)，市廳級(jí)項(xiàng)目3項(xiàng)。在Chemical Engineering Journal、Separation and Purification Technology、Materials Today Chemistry、Surfaces and Interfaces、Langmuir等期刊發(fā)表SCI論文20余篇，申請(qǐng)授權(quán)國家發(fā)明3件。
張毅，理學(xué)博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，云南省“興滇英才引進(jìn)計(jì)劃”青年人才電捕焦油。云南省高校食品安全檢測技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室骨干成員，云南省金屬有機(jī)分子材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室核心成員。近年來，主省部級(jí)項(xiàng)目1項(xiàng)，校級(jí)項(xiàng)目2項(xiàng)，參與國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目1項(xiàng)，省部級(jí)項(xiàng)目5項(xiàng)。在Chemical Engineering Journal、Talanta、Analyst、Materials Today Sustainability、Chinese Chemical Letters等期刊發(fā)表SCI論文20余篇。
聶陟楓，工學(xué)博士，研究員，碩士生導(dǎo)師，現(xiàn)任昆明學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院副，云南省金屬有機(jī)分子材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任電捕焦油。榮獲云南省有突出貢獻(xiàn)優(yōu)秀專業(yè)技術(shù)人才、云南省“興滇英才支持計(jì)劃”青年拔尖人才、昆明市“春城計(jì)劃”青年人才及昆明市中青年學(xué)術(shù)和技術(shù)帶頭人后備人選等榮譽(yù)稱號(hào)。擔(dān)任教育部學(xué)位中心學(xué)位論文評(píng)審專家、國家自然科學(xué)基金通訊評(píng)審專家及云南省科技評(píng)審專家。主持國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目2項(xiàng)，云南省基礎(chǔ)研究重點(diǎn)項(xiàng)目等省部級(jí)項(xiàng)目10余項(xiàng)，企業(yè)委托的技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目2項(xiàng)。在《Chemical Engineering Journal》《Applied Surface Science》《Surfaces and Interfaces》《International Journal of Heat and Mass Transfer》《Applied Thermal Engineering》等期刊發(fā)表SCI學(xué)術(shù)論文50余篇，申請(qǐng)/授權(quán)國家發(fā)明15件。獲云南省自然科學(xué)二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，有金屬工業(yè)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、三等獎(jiǎng)各1項(xiàng)。
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