壳聚糖改性MOFs增强水体Cr(VI)去除性能：吸附机理与界面行为研究

本文报道了一种通过反相乳液交联法制备的壳聚糖修饰MIL-125-NH2复合材料（MCS-1），该材料在酸性条件下（pH=2）对Cr(VI)的最大吸附容量达105.93 mg·g-1，并展现出优异的酸稳定性与循环再生性。研究表明其吸附过程符合准二级动力学模型和Langmuir模型，机理涉及氢键作用、静电吸引及Cr(VI)还原为Cr(III)，为重金属废水处理提供了新材料设计思路。

　　

材料表征（Characterization of MCS-1）

通过扫描电子显微镜（SEM）观察发现，MIL-125-NH₂呈现均匀十二面体颗粒的堆叠聚集态（图2a、2b），而壳聚糖修饰后的MCS-1则形成表面光滑、分散性显著提升的球形大颗粒（图2c、2d）。X射线衍射（XRD）图谱显示MCS-1成功保留了MIL-125-NH₂的特征晶体结构（图2e），傅里叶变换红外光谱（FTIR）进一步证实壳聚糖通过席夫碱反应与MOF形成稳定交联（图2f）。热重分析（TGA）表明MCS-1在高温下仍保持良好热稳定性（图2g），氮气吸附-脱附实验揭示其比表面积高达892.36 m²·g^-1（图2h），为Cr(VI)吸附提供了丰富的活性位点。

吸附性能研究（Adsorption Performance）

系统考察了pH、投加量、初始浓度等参数对吸附效果的影响。如图3a所示，酸性条件（pH=2）最利于Cr(VI)以HCrO₄^-形态被吸附剂表面质子化氨基捕获。吸附动力学符合准二级模型（图3b），表明化学吸附主导过程；等温线拟合Langmuir模型（图3c）揭示其为单层吸附，最大容量达105.93 mg·g^-1（303 K）。热力学参数ΔG为负值、ΔH为正值（吸热）、ΔS为正值（界面无序度增加），证明吸附是自发、吸热且熵驱动的过程（表1）。

机理探讨（Mechanism Investigation）

结合FTIR和X射线光电子能谱（XPS）分析发现，吸附后N-H键振动峰蓝移，Cr 2p谱中出现Cr(III)特征峰（图4a、4b），证实Cr(VI)被部分还原为低毒性Cr(III)。密度泛函理论（DFT）计算表明，壳聚糖的氨基与Cr(VI)间存在强静电吸引和氢键作用（图4c），且Cr-O键长变化支持还原反应的发生（图4d）。竞争离子实验显示MCS-1对Cr(VI)具有高选择性（图5a），五次吸附-脱附循环后仍保持67.40%的初始容量（图5b），凸显其实际应用潜力。

结论（Conclusions）

本研究成功构建了兼具高吸附容量、酸稳定性和可重复使用性的MCS-1复合材料，通过多尺度表征揭示了其以氢键、静电作用及还原反应为核心的Cr(VI)去除机制，为设计高效重金属吸附剂提供了理论依据和技术支撑。