关于HKUST-1衍生氮掺杂多孔碳对La3+吸附性能的研究

《Inorganic Chemistry Communications》：Study on the La3+ adsorption performance of HKUST-1-derived nitrogen-doped porous carbon

利用聚乙烯吡咯烷酮（PVP）作为模板和氮源，在氮气气氛下200-400℃碳化合成系列氮掺杂碳材料PH-200/300/400。其中PH-300在pH=6时25分钟内达到205.85 mg/g的饱和吸附容量（50 ppm La3?），Langmuir模型预测最大单层容量273.2 mg/g，且经5次再生后仍保持80%以上吸附性能。

　　

程文康|徐丹|吴耀珍|刘飞燕|李先才

南昌大学化学与化学工程学院，中国南昌330031

摘要

HKUST-1采用PVP作为模板，在氮气氛围下于200–400°C进行碳化处理，制备了一系列氮掺杂碳材料PH-200/300/400。PH-300具有23.6纳米的中孔结构，在pH=6时25分钟内即可达到平衡吸附状态，对50 ppm La³⁺的饱和吸附量为205.85 mg/g。Langmuir等温线模型预测其在70 ppm La³⁺下的最大单层吸附量为273.2 mg/g。经过五次再生循环后，其吸附能力仍保持80%以上，表现出优异的性能。

引言

随着全球技术产业的进步，稀土元素（REE）因其独特的光学、磁性和催化性能，在新材料和国防等前沿领域成为核心支柱。[1],[2],[3],[4]然而，稀土元素有限的储量与不断增长的需求之间的矛盾推动了绿色高效回收技术的发展。[5],[6],[7],[8]与传统方法（如溶剂萃取和沉淀）相比，吸附技术具有操作简便、能耗低和环保等优点。[9],[10],[11],[12]该技术特别适用于捕获和富集低浓度稀土溶液，并通过调节吸附剂的结构实现选择性回收。[13],[14],[15]

金属有机框架（MOFs）是合成多孔碳材料的理想模板。[16],[17],[18],[19]由MOFs高温热解得到的碳基材料兼具高孔隙率和出色的稳定性。[20],[21],[22]其中，HKUST-1衍生的碳材料克服了母体材料的稳定性限制，表现出出色的金属离子捕获能力。[23]例如，潘J等人制备的吸附剂对四环素的最高吸附量为136.88 mg/g；而陈L等人开发的复合材料在钾离子吸附、储存和可逆脱附过程中表现出优异性能。[25],[26]聚乙烯吡咯烷酮（PVP）是一种低毒、可生物降解的聚合物，常用于调节材料结构。[27],[28],[29],[30],[31],[32],[33]当PVP与MOFs结合并经过热解处理时，可以形成分级孔结构并生成富氮碳层，从而提高活性位点的密度。[34],[35],[36]

本研究采用PVP导向合成法制备了PVP@HKUST-1，随后在氮气氛围下于200–400°C进行碳化处理，得到多孔碳材料PH-200/300/400。虽然传统多孔碳材料的制备通常需要高于500°C的温度，但选择200–400°C这一较低温度范围具有多重优势，尤其是对于这种特定的MOF衍生体系：能够保留氮功能基团；通过原位Cu/Cu₂O纳米颗粒形成分级孔结构；提高能源效率并保持材料结构。[37],[38],[39],[40]（详细合成步骤见ESI部分。）系统研究了材料的形貌，并探讨了pH值、接触时间、初始La³⁺浓度和温度对吸附性能的影响。结合动力学、等温线和热力学分析以及机理阐释，通过循环实验验证了材料的再生稳定性，为高效回收镧和铈提供了材料和技术支持。

部分内容摘录

XRD分析

XRD（图1）显示，PVP@HKUST-1的主要峰与HKUST-1标准卡片（ICDD PDF#00–062-1183）的峰相匹配，表明引入聚乙烯吡咯烷酮（PVP）并未改变其晶体类型。PVP分子在晶界处的选择性吸附抑制了晶面的生长，导致衍射峰强度显著减弱。[35]这种峰强度的降低是由于PVP吸附抑制了晶面的生长。

结论

总结来说，以PVP@HKUST-1为前驱体，在200–400°C条件下制备了氮掺杂多孔碳材料。PH-300（在300°C下碳化）在pH=6时对50 ppm La³⁺的吸附量达到205.85 mg/g，显示出较高的回收潜力。吸附行为符合Langmuir等温线模型，表明其最大单层吸附量为273.2 mg/g。动力学过程遵循PSO模型，等温线数据也符合Langmuir模型，表明为单层化学吸附。

CRediT作者贡献声明

程文康：撰写初稿。徐丹：数据整理与研究。吴耀珍：撰写初稿。刘飞燕：撰写初稿。李先才：撰写、审稿与编辑，概念构思。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号51664042）的支持。

程文康于2022年在中国商饶师范大学获得应用化学学士学位，2026年在中国南昌大学获得化学硕士学位。他的研究兴趣包括无机化学、铁电化学和物理化学。