一种具有磁回收特性的Fe?O?@SiO?@GPTMS/2-氨基苯酚-Cu(II)纳米催化剂，通过无溶剂研磨技术实现了2-氨基-4-H-苯并[b]吡喃的绿色一锅合成

《Inorganic Chemistry Communications》：Magnetically recyclable Fe 3O 4@SiO 2@GPTMS/2-aminophenol-Cu(II) nanocatalyst for green one-pot synthesis of 2-amino-4 H-benzo[ b]pyrans via solvent-free grinding technique

高效去除水体重金属镉的碳纳米吸附剂开发及响应面法优化研究。碳纳米管与纳米纤维经酸处理掺杂二氧化钛，通过响应面法优化制备参数（TiO?负载量20%、超声3小时、煅烧400℃），吸附容量达52.81 mg/g。BET显示比表面积184 m2/g，FTIR证实氧官能团促进Cd2?吸附，Langmuir模型（R2=0.994）和伪一级动力学（R2=0.978）验证机理。

　　

哈姆扎·A·阿斯马尔利（Hamza A. Asmaly）、穆萨布·A·埃尔巴格尔（Mosaab A. Elbager）、纳赛尔丁·卡巴希（Nassereldeen Kabashi）、陶菲克·A·萨利赫（Tawfik A. Saleh）

沙特阿拉伯法赫德国王石油与矿业大学（King Fahd University of Petroleum & Minerals）跨学科研究中心 - 氢能技术与碳管理（Interdisciplinary Research Center - Hydrogen Technology and Carbon Management）

摘要

本研究旨在开发并优化一种新型的掺钛二氧化钛（CNAs/TiO₂）碳纳米吸附复合材料，用于从水溶液中去除镉（Cd²⁺）。通过酸处理碳纳米管和碳纳米纤维，并采用可控的浸渍-煅烧方法将其与不同比例的TiO₂结合。利用响应面法（Response Surface Methodology, RSM）和中心复合设计（Central Composite Design, CCD）对合成参数进行了优化，包括二氧化钛的负载量、超声处理时间和煅烧温度。通过BET、SEM、TGA、FTIR和XRD等表征技术发现，该复合材料具有更大的比表面积（从92 m²/g增加到184 m²/g）、更优的形态结构、更高的热稳定性以及有利于镉吸附的富氧官能团。批量吸附实验表明，在最佳条件下，该材料的最大吸附容量可达52.81 mg g^?1。Langmuir模型（R² = 0.994）和伪一级动力学模型（R² = 0.978）分别很好地描述了吸附等温线和动力学行为。本研究填补了相关文献的空白，证明了通过RSM优化的二氧化钛掺杂能够显著提升碳纳米材料在重金属去除方面的性能，为废水处理提供了一种可扩展且经济有效的解决方案。

引言

镉化合物对环境和人类具有毒性，可导致肾脏损伤、贫血和癌症。它们会在土壤和水中积累，使其成为一种持久且严重的水污染物[1]。目前有多种技术可用于从水溶液中去除镉，每种技术具有不同的机制和不同的效率。这些方法包括离子交换、膜过滤、化学沉淀和植物修复等，但大多数方法在去除废水中的重金属时存在挑战，如选择性低、在微量浓度下的处理能力有限、运营成本高、产生污泥以及可重复使用性差[2]。然而，吸附法因其简单、可再生和适应性强的特点而被广泛采用[3],[4]。由于具有较高的吸附能力，各种材料（如沸石、活性炭和纳米吸附剂）被用于去除水中的污染物[5],[6],[7],[8]。无论是纯形式还是经过功能化或与其他材料结合的纳米吸附剂，都展现出优异的吸附潜力，其效率得益于其化学反应性和可调的比表面积[9]。纳米吸附剂的其它优点还包括易于操作[10]、能够在低浓度下去除污染物[11]，以及可以通过简单环保的工艺生产[12],[13]。基于这些特性，碳纳米管和碳纳米纤维等碳纳米吸附剂在去除水中的各种污染物方面得到了广泛应用，这归功于它们与基底的优异结合性、高吸附潜力以及通过化学反应性和可调比表面积实现的效率提升。众多方法被用于通过改变表面特性来增强碳纳米纤维（CNFs）和碳纳米管（CNTs）的吸附性能。文献中报道的关键方法包括附着功能分子或基团[14],[15]、进行酸处理[16],[17],[18],[19]，以及将金属或金属氧化物掺入其结构中[21],[22]。这些改性碳纳米吸附剂与污染物之间的相互作用机制涉及多种力，包括范德华力、π–π堆积、疏水作用、氢键和静电作用[23]。掺杂金属氧化物的碳纳米吸附剂由于其多孔结构、较大的比表面积和热稳定性而表现出显著的效果[24]，这使它们非常适合吸附各种污染物。当金属氧化物作为催化剂、还原剂或化学改性剂时，这些碳纳米材料的吸附能力得到了进一步提升。具体而言，氧化镁[25]、氧化铁[26],[27]和氧化铝[28]等金属氧化物的使用已被证明能有效去除水中的重金属。此外，将氧化铝（Al₂O₃）、氧化铜（Cu₂O₃）和氧化铁（Fe₂O₃）掺入碳纳米管和碳纳米纤维复合材料中，可增强对酚类化合物、镉（II）和铬（III）的吸附效果[29]。这一发现突显了金属氧化物在改善碳基纳米材料环境修复性能方面的价值。近年来，响应面法（RSM）在水处理研究中的应用受到了广泛关注[30],[31],[32]。RSM被广泛用于优化水过滤系统的参数，能够详细评估各种处理变量之间的复杂关系，从而快速有效地提升水净化和污染物去除效果[33],[34]。借助RSM，研究人员改进了实验设计，实现了更高的污染治理效率，这凸显了其在推动水处理技术进步中的关键作用。本研究旨在利用含有碳纳米管和碳纳米纤维的复合材料以及二氧化钛来增强镉（Cd²⁺的去除效果，并通过RSM进行优化。研究主要关注影响吸附剂性能的关键因素，如二氧化钛的比例、超声处理时间和煅烧温度。优化后，重点在于进一步改进吸附过程，以提高CNAs/TiO₂复合材料对镉的捕获能力，力求实现最高的污染物去除效率。将二氧化钛掺入碳纳米吸附剂中为水净化提供了一种可行且经济的方法，通过将污染物捕获在水中有效去除它们。因此，这项研究有可能推动适用于社区和工业水系统的可扩展水处理技术的发展。

试剂

试剂

圆锥形碳纳米纤维（CCNFs，纯度99.99%）购自河北利驰卓格环保科技有限公司（Hebei Liche Zhuoge Environmental Technology Co., Ltd.），直径为75–25 nm，长度为20–30 μm。MWCNTs来自Sigma Aldrich，其痕量金属含量低于2000 ppm，平均外径为8.7 nm和6 nm，长度为2.5–20 μm，内径为2 nm，纯度为98.99%。使用的试剂包括纯度为97%的二氧化钛（TiO₂）和98.5%的硝酸镉（Cd(NO₃)₂·2H₂O、氢氧化钠（NaOH）、硝酸（HNO₃）、丙酮（C₃H₆O）和乙醇（C₂H₅OH）。

响应面法（RSM）分析

使用...

FTIR

如图S1（补充材料B）所示，纯CNAs的FTIR光谱清楚地表明了TiO₂对CNAs的重要改性作用。图S1-a中1000 cm^?1以下的振动，特别是729、669、482、462和429 cm^?1处的振动，表明可能存在Ti–O–Cd表面的相互作用，可能是通过表面复合或离子交换实现的。图S1中强度的增加和新峰的出现表明吸附剂表面发生了化学改性，其中含有氧官能团...

研究的局限性

本研究存在以下局限性，需要予以说明：

a.

所有吸附实验均在中性pH值（7）下进行，以避免在较高pH值下镉（Cd²⁺沉淀以及在较低pH值下H⁺离子的过度竞争，这可能影响吸附性能的准确评估。尽管中性条件反映了实际水系统的环境特性，但pH值的影响尚未进行系统研究，这将在未来的工作中予以探讨。

b.

...

结论

本研究通过开发CNAs/TiO₂复合材料有效提升了水中的镉（Cd²⁺去除效率，并利用中心复合设计（CCD）精细调整了影响吸附的各种参数。研究发现，在二氧化钛掺杂比例为20%、超声处理时间为3小时、煅烧温度为400°C的条件下，材料的最大吸附容量达到34.29 mg g^?1。通过调整浓度和用量，进一步提升了吸附性能。

作者贡献声明

陶菲克·A·萨利赫（Tawfik A. Saleh）：负责撰写、审稿与编辑、方法设计、实验实施、数据管理及概念构思。

资金声明

作者确认本研究未接受任何外部资金支持。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者衷心感谢沙特阿拉伯法赫德国王石油与矿业大学（King Fahd University of Petroleum and Minerals）的跨学科研究中心 - 氢能技术与碳管理部门（Interdisciplinary Research Center - Hydrogen Technology and Carbon Management）以及该校的土木与环境工程系（Civil and Environmental Engineering Department）在推动本研究方面提供的宝贵支持。