Синтез двойника

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 8092 (2023) Цитировать эту статью

683 Доступа

2 Альтметрика

Подробности о метриках

В настоящей работе мы сообщаем о синтезе двухоболочечного периодического мезопористого композита кремнеорганических наносфер/MIL-88A-Fe (DSS/MIL-88A-Fe) гидротермальным методом. Для изучения структурных и композиционных особенностей синтезированного композита были использованы различные спектроскопические и микроскопические методы, включая FT-IR, XRD, BET, TEM, FE-SEM, EDX и EDX-картирование. Примечательным моментом в этой процедуре синтеза является интеграция MOF с PMO для повышения характеристик адсорбента, таких как более высокая удельная поверхность и большее количество активных центров. Такое сочетание приводит к получению структуры со средним размером 280 нм и длиной 1,1 мкм, приписываемой DSS и MOF соответственно, микропористой структуре и относительно большой удельной площади поверхности (312,87 м2/г). Полученный композит может быть использован в качестве эффективного адсорбента с высокой адсорбционной способностью (250 мг/г) и быстрым временем адсорбции (30 мин) для удаления Pb2+ из воды. Важно отметить, что композит DSS/MIL-88A-Fe показал приемлемую переработку и стабильность, поскольку эффективность удаления Pb2+ из воды оставалась выше 70% даже после 4 последовательных циклов.

Безопасная вода является важным материалом для всей человеческой деятельности, но наличие загрязняющих веществ является одной из наиболее серьезных проблем человека на пути получения чистой воды. Быстрое развитие индустриализации приводит к увеличению загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами1,2,3. Чтобы уменьшить загрязнение воды в результате сброса тяжелых металлов в природу, Агентство по охране окружающей среды (EPA) установило для этой цели определенные допустимые пределы. Максимально допустимая концентрация Pb2+ в промышленных сбросах и питьевой воде в соответствии с рекомендациями ВОЗ и Агентства по охране окружающей среды определена приближающейся к 0,01 и 0,015 мг/л соответственно4,5. Это значение содержания Pb(II) в сточных водах составляет 0,05 мг/л согласно рекомендациям Агентства по охране окружающей среды6,7. Кроме того, концентрации ионов свинца в промышленных сточных водах составляют около 200–500 мг/л. Следует отметить, что это значение значительно превышает нормативное качество воды, поэтому перед сбросом сточных вод в водоводы или канализационные системы концентрацию ионов свинца необходимо снизить до уровня 0,05–0,10 мг/л6,8. 9. Ионы тяжелых металлов, в том числе свинца, наносят вред здоровью человека и окружающей среде. Эти тяжелые металлы могут привести ко многим заболеваниям и осложнениям в организме10,11. Поэтому удаление тяжелых металлов, в том числе Pb2+, из воды и сточных вод имеет большое значение не только для защиты водных ресурсов, но и для постоянного выживания человека. В связи с этим важным вопросом ученые сосредоточились на новых технологиях, которые позволят исключить тяжелые металлы из источников окружающей среды12,13,14,15. Как правило, некоторые методы очистки, используемые для очистки воды путем улавливания тяжелых металлов и радиоактивных ионов, сосредоточены на обработках на основе адсорбции-16, мембраны-17, химической обработки-18, электрической-18 и фотокаталитической-19,20. Среди них процесс адсорбции является одним из наиболее эффективных методов борьбы с ионами тяжелых металлов из-за простоты выполнения, различных источников адсорбента, доступной стоимости, простоты эксплуатации, высокой эффективности и регенеративной способности адсорбентов21. В последние годы появились традиционные адсорбирующие материалы, в том числе оксиды металлов22,23,24,25,26,27, активный уголь28,29,30,31,32,33,34 и углеродные нанотрубки35,36,37,38,39,40. привлекли огромное внимание. Несомненно, эти материалы обладают отличными адсорбирующими свойствами; тем не менее, некоторые из них по-прежнему страдают некоторыми недостатками, включая малые размеры и объемы пор, кинетику плохой адсорбции, сложное приготовление, трудность обновления и низкую эффективность адсорбции. Следовательно, существует острая необходимость в разработке новых адсорбционных материалов.

В последнее время появились пористые материалы, такие как металлоорганические каркасы (MOF)41,42,43,44,45,46 и полый периодический мезопористый кремнезем (PMO)47,48,49,50,51,52,53,54,55. ,56 привлекают инклюзивные перспективы применения в области адсорбции. Металлоорганические каркасы (МОФ), которые также известны как новый класс гибридных и кристаллических материалов в области металлоорганических материалов (МОМ)57,58,59, построены из металлических центров или кластеров, соединенных прочными координационными связями. с органическими линкерами60,61,62,63,64. Процедура синтеза для получения НЧ MOF подразделяется на две основные категории, включая гидротермальные65 и сольвотермальные методы66,67. В обеих процедурах два раствора, содержащие ионы металлов в их стабильных степенях окисления, т.е. щелочные, щелочноземельные, переходные металлы и редкоземельные элементы68, были смешаны с органическими линкерами, такими как поликарбоновые молекулы и полиазагетероциклы69, для достижения широкого спектра действия. ряд кристаллических и стабильных структур MOF. В последние годы внимание к этим материалам быстро и широко возросло благодаря их привлекательным характеристикам, таким как большая площадь поверхности70, четко выраженная архитектура пор71 и настраиваемые структурные особенности72. Их уникальные свойства делают их отличным кандидатом для многих применений, включая хранение газа73, очистку74, молекулярное зондирование75, доставку лекарств76, органические катализаторы и очистку воды77. В случае применения водоподготовки использование MOF с порошком небольшого размера связано с некоторыми рисками из-за высокого сродства этих соединений к воде, что приводит к увеличению возможности агломерации и, следовательно, к затруднению восстановления45. В результате этой проблемы наночастицы MOF могут напрямую попадать в питьевую воду78 и вызывать долгосрочную нанотоксичность для окружающей среды, проблемы загрязнения тяжелыми металлами и влиять на здоровье человека79. С другой стороны, некоторые структуры MOF чувствительны к влаге и воде, что приводит к разрушению структур металлоорганических каркасов (MOF), что является серьезным недостатком при прикладном использовании80. Основная причина этого явления может быть объяснена структурой MOF (природой линкера и металлического кластера) и процессом активации, который приводит к мостиковому эффекту, возникающему при адсорбции воды46. Например, в процессе активации HKUST-1 MOF (= (Cu3(BTC)2) (BTC = бензол-1,3,5-трикарбоксилат)) который состоит из ионов меди, блокированных аксиальным водным лигандом и линкерами BTC, аксиальные водные лиганды были удалены, что привело к новому расположению геометрии медного центра в сторону относительно стабильной квадратно-плоской координации81. Однако, согласно опубликованным статьям46,81, HKUST-1 обладает высоким сродством к адсорбции воды и не проявляет долговременной стабильности при непосредственном контакте с водой. По сравнению с этой группой некоторые материалы MOF, такие как MIL-101(Fe), демонстрируют превосходную водостойкость. Они могут стать отличными кандидатами на перспективные материалы для применения в области адсорбции воды, например, для удаления тяжелых металлов82,83,84,85. Чтобы увеличить преимущества соединений MOF, включение в эти материалы отличных адсорбентов, таких как PMO, приводит к образованию композита с улучшенными механическими свойствами.