羟基功能化钼基MBene/Mo2AlB2对铜铅离子的高效吸附机制与性能研究

《ACS Applied Nano Materials》：Copper and Lead Adsorption of Hydroxyl-Functionalized Mo-Based MBene/Mo2AlB2

本文报道了一种通过LiOH辅助水热法合成的羟基功能化钼基MBene/Mo2AlB2复合材料，其比表面积较前驱体MoAlB提升40倍，对Cu2+和Pb2+的吸附容量分别达233.4 mg/g和308.6 mg/g，显著优于商用活性炭。研究系统探讨了pH值、接触时间、吸附剂投加量等参数对吸附性能的影响，并通过SEM（扫描电子显微镜）、pXRD（粉末X射线衍射）等表征手段揭示了Pb2+以螯合机制形成PbMoO4、Cu2+通过还原机制生成金属铜的差异化吸附路径，为二维材料在重金属废水治理中的应用提供了新策略。

　　

材料合成与表征

通过LiOH辅助水热法对MoAlB前驱体进行选择性蚀刻，成功制备出羟基功能化的MoBene/Mo₂AlB₂复合材料。该工艺通过水氧环境将铝层氧化为AlOOH，并利用LiOH反应生成可溶性LiAl₂(OH)₇·2H₂O，清除层间阻塞物以实现完全剥离。BET（Brunauer-Emmett-Teller）测试表明产物比表面积达4.2 m²/g，较前驱体（0.1 m²/g）提升40倍。pXRD图谱中9°与18°的衍射峰对应MoBene的（002）和（004）晶面，FTIR（傅里叶变换红外光谱）证实表面存在?OH官能团，为重金属吸附提供了活性位点。

吸附性能与参数优化

在初始浓度1.5 mM、吸附剂投加量50 mg/50 mL的条件下，MoBene/Mo₂AlB₂对Cu²⁺和Pb²⁺的15分钟吸附量分别为89.1 mg/g（93.7%）和121.2 mg/g（39.2%），远超商用活性炭（Cu²⁺吸附量1.6 mg/g）。接触时间实验显示，Cu²⁺吸附在15分钟达到平衡，而Pb²⁺吸附需24小时方可达到最大容量308.6 mg/g（99.71%去除率）。吸附剂投加量实验表明，Pb²⁺吸附效率与活性位点数量呈线性相关。pH影响研究发现，酸性条件（pH<3）下材料易降解，Cu²⁺吸附最佳pH为5（吸附量90 mg/g），Pb²⁺则在pH=3时达到峰值155.3 mg/g。

吸附机制解析

pXRD与SEM表征揭示了差异化吸附机制：Pb²⁺与表面?OH基团通过螯合作用形成PbMoO₄晶体，均匀分布于材料表面；Cu²⁺则被MoBene的还原性硼化物还原为金属铜，并以此为成核点进一步生长为三维结构。该机制解释了为何氟终止的MXene（如Ti₃C₂T_x）几乎无吸附活性，凸显了?OH官能团在初始吸附中的关键作用。

应用潜力与对比

MoBene/Mo₂AlB₂对低浓度重金属（0.5 mM）具备高效去除能力（Cu²⁺96.2%，Pb²⁺98.3%），且其最大吸附容量优于多数已报道吸附剂（如 chitosan-vermiculite 的116.2 mg/g Cu²⁺容量）。材料合成后无需额外修饰即可直接应用，为工业废水深度处理提供了具有潜力的新型吸附材料。