《Inorganic Chemistry Communications》：Cutting-edge NiO/TiO?@g-C?N? hybrid nanocomposite for high-performance Cd2+ adsorption and water purification
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本研究采用溶胶-凝胶法制备NiO/TiO?/g-C?N?纳米复合材料，通过XRD、FTIR、XPS和SEM等表征证实其形成且具备多相结构特性。材料对Cd2?展现出高吸附能力（最大141.44 mg/g），吸附行为符合Langmuir等温线和伪二级动力学模型，并具备良好的循环稳定性（4次循环后吸附效率保持82%以上），为重金属废水处理提供新方案。
A. Modwi|K.H. Ibnaouf|Khulud A. Abuhaimed|Abdullah Alsulami
沙特阿拉伯布赖达哈卡西姆大学理学院化学系，邮编51452
摘要
本研究通过溶胶-凝胶法简便地合成了NiO/TiO?-碳氮化物（g-C?N?）复合材料，并探讨了其在去除水溶液中镉（Cd2?）离子中的应用。多种表征技术（包括XRD、FTIR、XPS和SEM）证实了rutile和anatase TiO?相的形成，同时g-C?N?也表现出独特的峰形。XPS和EDX分析进一步验证了Ti、Ni、O、C和N元素的共存。该材料具有60.4 m2/g的比表面积，在不同的批量吸附实验条件下（如pH值、停留时间、吸附剂用量和金属离子初始浓度）均表现出对Cd2?离子的吸附能力。吸附数据与Langmuir等温线和伪二级动力学模型高度吻合，最大吸附量可达141.44 mg/g。此外，该材料在四次循环使用后仍保持良好的吸附性能，显示出其在废水处理中去除有害金属的潜力。FTIR光谱用于阐明Cd2?离子在NiO@TiO?@g-C?N?复合材料上的吸附机制。
引言
重金属离子（HMI）污染是威胁全球可持续性的重大环境问题之一[1]。由于这些物质不可生物降解且极具毒性，它们会对人类和其他生物造成严重危害[2,3]，被视为极其有害的水体污染物[4]。环境中的重金属主要来源于人类活动，如燃煤电厂、冶炼厂、采矿、化肥生产、合金制造、电镀、涂层工艺等[5][6][7][8]。即使浓度很低，镉、铅、砷和汞等重金属也具有极强的毒性及致癌性。由于重金属无法分解，它们可能在环境中长期存在（甚至数百年）。它们会通过水系统进入食物链，从而危害最终消费者（人类）并引发严重的环境问题[9][10][11]。半导体量子点/棒、磷酸盐肥料、Ni-Cd电池和颜料中释放的Cd2?离子可导致钙代谢紊乱、肾炎、肺容量减少、癌症风险及健康问题[4]。美国环保署（USEPA）和世界卫生组织（WHO）规定的饮用水中Cd2?离子的允许暴露限值分别为<0.005 mg/L和3 ppb。
因此，生态学家致力于研究开发技术，以在重金属释放到环境中之前将其从废水中去除并重新利用[12,13]。常用的废水处理方法包括溶剂萃取、反渗透、离子交换、电解、膜分离、沉淀、离子浮选和吸附[14][15][16]。但这些方法通常会产生有毒污泥，造成额外的环境污染。近年来，吸附技术因其高效、环保和低成本的特点而成为废水净化的有效方法[1][17][18][19]。TiO?已被用于去除水溶液中的Cd2?[20]和Pb2?[21]，而NiO则可用于去除Cr(VI)[22]、Pb2?、Cd2?和Cu2?[23]。g-C?N?（即石墨碳氮化物）作为一种非金属半导体，具有低成本、无毒、高化学稳定性、无害性以及良好的耐酸碱性能，应用范围广泛[24,25]。然而，其比表面积小和利用率低等缺点限制了其在吸附领域的应用[26]。为此，人们采取了多种改进措施，如改变表面结构、添加非金属或金属及金属氧化物掺杂等，以提升其吸附性能[27,28]。
在本研究中，通过将成本低廉的NiO@TiO?纳米颗粒整合到g-C?N?纳米片中，成功制备了NiO@TiO?@g-C?N?纳米复合材料。通过结构分析和光谱技术对该复合材料进行了全面表征，并评估了其去除重金属的潜力。在多种操作参数（如初始Cd2?浓度、溶液pH值和停留时间）下，系统研究了该复合材料对水溶液中Cd2?离子的吸附能力。相关平衡和动力学模型为Cd2?的吸附机制提供了理论支持。
纳米材料制备
NiO@TiO?的制备首先制备了溶液A：100 mL甲醇中加入10 mL乙酸和4 g聚乙二醇。同时，溶液B通过超声处理50 mL蒸馏水中的0.625 g硝酸镍（Ni(NO?)?）得到。随后，将5.25 g TiO?纳米颗粒加入硝酸镍溶液中并磁力搅拌混合。两种溶液合并后进行60分钟磁力搅拌以促进反应。
X射线衍射分析
通过X射线衍射分析了制备的纳米材料的晶体结构（图1a和b）。g-C?N?中的27.94°峰对应于(002)晶面，其d间距为0.3191 nm（JCPDS编号87–1526）[29]。其他峰位（2θ = 27.52°、36.16°、39.26°、41.30°、44.12°、54.38°、56.68°、62.84°和64.1°）分别对应于(110)、(101)、(200)晶面。
结论
采用溶胶-凝胶法合成了新型三元NiO@TiO?@g-C?N?吸附剂。XRD、FTIR、XPS和EDX分析结果显示，rutile相完全转变为anatase相，同时检测到了-OH和-NH?官能团。该复合材料对Cd2?离子的吸附能力很强，最大吸附量可达141 mg/g。吸附过程符合伪二级动力学和Langmuir模型，表明Cd2?在NiO@TiO?@g-C?N?表面的吸附过程符合这些模型描述。
CRediT作者贡献声明
A. Modwi：撰写初稿、方法设计、实验实施、数据整理、概念构思。
K.H. Ibnaouf：审稿与编辑、项目监督、概念指导。
Khulud A. Abuhaimed：撰写初稿、结果可视化、验证、数据分析。
Abdullah Alsulami：审稿与编辑、软件应用、数据分析、数据整理。
资助声明
本研究得到了伊玛目穆罕默德·本·沙特伊斯兰大学（IMSIU）科研处的支持与资助（项目编号：IMSIU-DDRSP2502）。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的财务利益冲突或个人关系。
Abueliz Modwi博士：卡西姆大学理学院物理化学副教授，主要从事纳米材料的合成与应用以及金属氧化物复合材料的研发工作。
