稻壳生物炭负载镍锰层状双氢氧化物纳米杂化材料高效去除刚果红：合成、表征及吸附性能研究

《Materials Today Communications》：Efficient Congo red removal using rice husk-derived biochar/NiMn LDH nanohybrid: synthesis, characterization, and adsorption performance

　　

研究人员开发了一种可持续的生物炭基镍锰层状双氢氧化物（biochar-based NiMn layered double hydroxide, BC/NiMn-LDH）纳米杂化材料，采用简便的原位水热生长策略，以KOH活化的稻壳生物炭为功能载体。活化后的生物炭具有多孔、富含缺陷及含氧官能团的表面，可实现LDH纳米片的均匀沉积与强界面耦合。综合表征（傅里叶变换红外光谱 FT-IR、拉曼光谱 Raman、X射线衍射 XRD、比表面积分析 BET、场发射扫描电镜 FE-SEM、透射电镜 TEM、热重分析 TGA）证实该材料形成了层次化结构，其中NiMn-LDH纳米片均匀锚定于生物炭基质，增强了结构稳定性并提供了丰富的可及活性位点。该纳米杂化材料对刚果红（Congo red, CR）表现出优异的吸附性能，在优化条件下（初始浓度20 mg·L?1、吸附剂投加量8 mg、接触时间8 min）去除率达约97%。平衡吸附数据符合Langmuir等温模型，最大吸附容量为106.4 mg·g?1，表明为单分子层吸附，活性位点能量均一。其增强的吸附性能源于层次孔隙结构、表面官能团及分散良好的NiMn-LDH相之间的协同作用，促进了静电吸引、氢键和π–π相互作用。本研究展示了将农业废弃物转化为高性能吸附剂用于染料废水处理的可持续途径。

研究背景与意义

刚果红（CR）是一种典型的阴离子偶氮染料，因含有芳香胺结构而具有致癌与致突变潜力，且在水体中稳定难降解，严重影响水生生态系统。现有染料废水处理方法包括光催化、高级氧化、膜过滤及吸附等，其中吸附法因操作简单、成本低、效率高而被广泛研究。然而，吸附仅实现污染物相转移，吸附剂的低成本化、高稳定性和高效能仍是挑战。生物炭（biochar, BC）作为生物质热解产物，虽具备大比表面积和丰富官能团，但单独使用时吸附容量与选择性有限。层状双氢氧化物（layered double hydroxides, LDHs）具有可调组成和层间阴离子交换能力，但易团聚且在酸性环境中不稳定。将二者结合形成BC–LDH复合材料，可兼顾结构稳定性与功能性。本文发表于《Materials Today Communications》，研究人员首次以稻壳为原料制备KOH活化生物炭负载NiMn-LDH（BC-KOH/NiMn-LDH）纳米杂化材料，用于高效去除水中的刚果红，兼具农业废弃物资源化与污染治理双重意义。

关键技术方法

研究以伊朗马赞德兰省稻壳为前体，经清洗、干燥、预浸后于700 ℃热解获得原始生物炭，再用KOH溶液活化得到BC-KOH。随后通过原位水热法在生物炭表面生长NiMn-LDH纳米片，合成BC-KOH/NiMn-LDH复合材料。采用FT-IR、Raman、XRD、BET、FE-SEM、TED、TGA等手段系统表征材料结构与性质。吸附实验考察初始浓度、投加量及接触时间对CR去除效率的影响，并结合等温线模型和动力学分析揭示吸附机理。

研究结果

3.1 FT-IR分析

原始生物炭含Si–O–Si、C=O、C=C、C–H及O–H等官能团；KOH活化后Si–O–Si强度降低，氧官能团增多；复合材料中新增Ni–O与Mn–O特征峰，且O–H峰位移，表明LDH与生物炭界面存在氢键与配位作用。

3.2 XRD结构表征

BC-KOH呈无定形碳特征峰；NiMn-LDH显示典型水滑石相衍射峰；复合材料中两者特征峰共存，证明LDH成功生长在生物炭表面且无结构破坏。

3.3 Raman分析

BC-KOH的I_D/I_G值约为0.71，复合后为0.98，表明LDH引入增加了碳骨架缺陷，同时保留了石墨结构。

3.4 形貌分析

FE-SEM与TEM显示BC-KOH为片状多孔结构，NiMn-LDH为花瓣状纳米片，复合材料中LDH均匀锚定于生物炭表面，抑制了纳米片团聚，形成层次孔道。

3.5 孔隙结构

BET结果表明BC为微孔为主，BC-KOH转为介孔为主，复合材料平均孔径增至3.5 nm，有利于CR扩散与接触活性位点。

3.6 元素分布

EDS与元素映射证实C、O、Ni、Mn均匀分布，Ni/Mn原子比约26.5:1，复合材料化学均匀性良好。

3.7 热稳定性

TGA显示复合材料在600 ℃残炭率约67%，主要失重阶段对应LDH脱羟基与生物炭部分分解，热稳定性高。

3.8 吸附等温模型

Langmuir模型拟合最佳（R²=0.9998），最大吸附容量106.4 mg·g^?1，表明CR在均质表面发生单分子层吸附。

3.9 再生性能

FT-IR显示吸附后CR特征峰发生位移，脱附后显著减弱，材料结构保持稳定，具备良好可再生性。

讨论与结论

研究证明BC-KOH/NiMn-LDH纳米杂化材料兼具高吸附速率（8 min达平衡）、高去除率（~97%）、高容量（106.4 mg·g^?1）与良好稳定性，其吸附机制包括静电吸引、氢键与π–π堆积。该工作实现了稻壳废弃物的高值化利用，符合循环经济理念，并为染料废水治理提供了可持续的材料解决方案。未来应进一步评估其在多组分体系、连续流工艺及长期循环中的适用性。