V 2CT x MXene@ZIF-8 复合材料作为从水溶液中高效去除铅(II)的有效吸附剂

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：V 2CT x MXene@ZIF-8 Composite as an Efficient Adsorbent for Pb(II) Removal from Aqueous Solution

CO?水合物制备中多巴胺盐酸盐作为生物启发式促动剂，显著缩短诱导时间至<5分钟，提升反应速率2.3倍，其酚羟基增强氢键网络提供更多成核位点，质子化氨基吸附富集气液界面CO?浓度，形成的疏松多孔结构促进气体传输。

　　本研究聚焦于解决基于二氧化碳水合物的碳封存技术（HBCS）中常见的诱导时间过长和形成速率低的问题。为实现这一目标，研究人员首次提出将多巴胺盐酸盐（DA）作为仿生催化剂，其来源于天然神经递质多巴胺，是一种具有独特分子相互作用的物质。通过系统的实验验证，研究发现0.5%的DA可将诱导时间缩短至5分钟以内（相比之下，纯水的诱导时间超过60分钟），同时提升气体消耗效率38.3%，使反应速率比纯水系统高出2.3倍。这一成果表明DA在促进水合物形成方面具有显著优势，为实现HBCS技术的可行性提供了新的思路。

在机制分析方面，研究指出DA的双功能基团对提升反应效率起到了关键作用。首先，DA分子中的酚羟基能够作为氢键的供体和受体，增加氢键的数量和强度，从而提供额外的成核位点。这一特性有助于提高水合物的成核速率，进而加快整体反应进程。其次，DA分子中被质子化的氨基基团能够通过化学吸附作用，提高气体-液体界面处的二氧化碳浓度，增强其在界面处的反应活性。此外，研究还发现DA具有良好的亲水性，能够促使形成的水合物具有更疏松的结构，从而促进气体从气相向液相的转移，进一步推动水合物在界面处的生长。

从形态学观察来看，DA的引入不仅影响了水合物的形成速率，还显著改变了其微观结构。实验结果显示，DA的亲水性有助于形成更加多孔的水合物结构，这为气体的传输提供了更大的通道，从而提升了反应效率。此外，DA的pH响应性聚合特性使其能够在溶解单体到聚多巴胺纳米颗粒之间实现可调的加速剂配置，展现出良好的应用前景。这种特性使得DA能够根据实际需求灵活调整其在反应体系中的表现，为优化水合物封存技术提供了更多可能性。

在研究背景中，碳捕集、利用与封存（CCUS）技术被认为是实现全球气候目标的关键手段之一。根据政府间气候变化专门委员会（IPCC）第六次评估报告（AR6），在众多的二氧化碳封存方法中，二氧化碳水合物因其高存储密度和长期稳定性而受到广泛关注。作为一种固态形式，二氧化碳水合物能够在高压和低温条件下形成并保持稳定，因此被认为是安全可靠的碳封存方式之一。然而，水合物的形成过程受到溶解、成核和质量传递等动力学过程的限制，这些过程受热力学和动力学屏障的影响，导致整体反应效率较低。

特别值得关注的是，成核速率缓慢是影响水合物形成效率的关键因素之一。此外，气体在气液界面的质量传递也受到界面张力、接触面积和扩散速率等因素的影响，进一步增加了反应的复杂性。因此，水合物封存技术（HBCS）面临的一个重要挑战是寻找一种环保、高效、低成本且用量少的动力学水合物促进剂（KHPs），以克服二氧化碳水合物形成过程中成核速率慢和诱导时间长的瓶颈。

近年来，该领域的研究主要集中在两个方向。一方面，结合动力学和热力学效应的双功能促进剂成为大规模水合物应用的重要手段。这些系统通常将动力学促进剂（如氨基酸、表面活性剂或SiO?/Ag纳米颗粒）与热力学添加剂（如TBAB、环戊烷）结合使用。例如，Aliabadi等人发现，SDS与CuO纳米颗粒的组合可将水合物诱导时间减少92.7%。Yao等人进一步证实，低毒、低挥发的1,3-二氧杂环戊烷（DIOX）可以同时降低平衡压力并加快水合物形成，显示出双功能促进剂在提升反应效率方面的潜力。

另一方面，基于生物来源的促进剂在盐水和多孔系统中表现出优于SDS的性能。近期研究发现，某些氨基酸如L-蛋氨酸、L-精氨酸和氮杂环丙烷能够提高二氧化碳的吸收效率25%-40%，并将水合物分解速率减半，显著增强了水合物封存的稳定性。例如，Liu等人发现，天然氨基酸能够有效缩短诱导时间并加快甲烷水合物的生长，其中L-亮氨酸表现出特别强的效果。此外，研究还发现，低浓度（300 ppm）的L-色氨酸（L-Trp）能够将二氧化碳气体吸收量提高至对照条件（无添加剂）的四倍，显示出其在提升水合物封存效率方面的潜力。Huang等人进一步证明，钠木质素磺酸盐能够将诱导时间缩短至约5分钟，并将存储容量提高至约85%，突显了生物质衍生促进剂在水合物封存中的广阔前景。

过去十年间，多巴胺盐酸盐（DA）因其独特的分子结构和功能特性而受到广泛关注，显示出在二氧化碳捕集和减排等领域的广泛应用潜力。尽管目前关于DA在二氧化碳水合物形成过程中的系统研究仍显不足，但越来越多的研究提供了其在该领域的理论和实践依据。例如，Xian等人开发了一种碳化聚多巴胺基的二氧化碳吸附剂，在25 bar和303 K的条件下，其二氧化碳吸附能力达到30.5 mmol/g，显著超过许多传统材料，如金属有机框架（MOFs）。此外，Zhao等人在对电催化二氧化碳还原反应（CO?RR）的研究中发现，多巴胺分子中的亚胺基团能够与中间体形成氢键，从而稳定这些中间体，促进更深层次的二氧化碳还原。与此同时，Zhang等人通过分子动力学模拟发现，多巴胺中的儿茶酚基团能够同时作为氢键的供体和受体，显著增强氢键网络的强度和有序性，这一特性对于提高气液界面处的质量传递效率具有重要意义。因此，DA的生物相容性和其天然来源，使其成为一种具有潜力的环保水合物促进剂。

本研究以多巴胺为主要研究对象，系统探讨其在调控二氧化碳水合物成核过程中的潜在机制。研究重点评估了多巴胺在不同压力和浓度条件下的促进效果，并特别关注其儿茶酚基团对氢键网络的影响。此外，通过将多巴胺与基于氨基酸的促进剂进行比较，进一步验证了其作为高效且环保促进剂的潜力，为优化水合物封存技术提供了理论支持和实践指导。

在实验方法部分，研究使用了高纯度的二氧化碳气体（99.9%）和10 mM的Tris(hydroxymethyl)aminomethane盐酸盐溶液（pH 8.5），并采用去离子水作为溶剂。去离子水的电阻率为18.2 MΩ-cm，由去离子水机（Aquapo 2S，重庆永恒青年）制备。实验过程中，通过等容压力搜索法测量了在0.5% DA溶液中二氧化碳水合物形成与分解时的温度-压力（P-T）关系，以验证DA是否影响水合物的热力学行为。实验结果表明，在水合物形成初期，随着温度的降低，反应器内的压力持续下降，直到出现拐点。此时，系统的压力变化显示出DA对水合物形成过程的显著影响。

在实验数据中，研究发现，在3.5 MPa和0.5% DA的条件下，水合物的形成速率达到了0.85 mol/min，是纯水系统的2.42倍，同时诱导时间减少了87.1%。这一结果表明DA在提升水合物形成效率方面具有显著优势。此外，DA能够增强界面润湿性和气体传输效率，从而促进成核和生长。研究进一步确认，儿茶酚（CAT）基团是水合物快速成核的关键活性基团，而聚多巴胺（PDA）则可能在促进水合物形成和生长方面发挥重要作用。

从研究意义来看，DA的引入为水合物封存技术提供了一种新的解决方案，具有广阔的应用前景。其独特的分子结构和功能特性使其能够在多种条件下有效促进水合物的形成，同时减少对环境的影响。此外，DA的生物来源也使其在环保方面具有优势，符合当前对绿色低碳技术的需求。因此，本研究不仅在理论层面拓展了对DA在水合物形成过程中作用的理解，也在实践层面为优化水合物封存技术提供了新的思路和方法。

在研究过程中，还涉及到一些未引用的参考文献，这可能意味着某些研究发现或背景信息尚未被充分纳入当前的研究框架。然而，这些未引用的参考文献并未对当前研究的核心结论产生实质性影响，因此并未被特别提及。此外，本研究的作者贡献声明表明，所有作者均积极参与了研究的各个阶段，包括撰写、数据整理、可视化、监督、软件开发、资源提供、方法设计、正式分析、实验调查等。这种协作模式有助于确保研究的全面性和科学性。

本研究的致谢部分提到了多个资助机构的支持，包括国家自然科学基金（项目编号52176057）、国家重点研发计划青年科学家项目（项目编号2023YFB4104100）、辽宁省揭榜挂帅基金（项目编号2023JH1/10400003）、深圳市科技计划（项目编号JCYJ20220818095605012）以及中国长江学者计划。这些资助机构的支持为研究提供了必要的资金和资源，确保了实验的顺利进行和研究成果的产出。此外，研究还提到E-补充数据，这可能意味着研究过程中还涉及了一些额外的实验数据或分析结果，为研究提供了更全面的支持。

综上所述，本研究通过系统实验和机制分析，首次提出了多巴胺盐酸盐（DA）作为仿生催化剂在二氧化碳水合物形成过程中的应用。研究发现DA在提升反应效率方面具有显著优势，同时其独特的分子结构和功能特性使其在环保和可持续性方面也表现出良好前景。这些发现不仅为水合物封存技术提供了新的解决方案，也为进一步优化和推广该技术奠定了基础。未来的研究可以进一步探讨DA在不同环境条件下的表现，以及其与其他促进剂的协同效应，以期实现更高效的二氧化碳封存技术。