Ba-TiO2 /g-C3 N4 纳米复合材料的可控制备及其对水中Pb2+ 的高效选择性吸附机制研究

针对工业废水中重金属Pb2+ 污染治理难题，研究人员通过Pechini溶胶-凝胶法构建了Ba-TiO2 /g-C3 N4 (BaTiCN)纳米复合材料。该材料具有99 m2 /g的高比表面积，对Pb2+ 吸附容量达450 mg/g，选择性优于Cu2+ 、Zn2+ 等竞争离子，且可循环使用5次。研究揭示了其吸附机制涉及阳离子-π作用、孔隙扩散及官能团配位，为水体重金属修复提供了新型高效吸附剂。

　　

随着电池制造、电镀、纺织等工业的快速发展，水体中铅、镉等重金属污染已成为全球性环境问题。这些非生物降解性毒物不仅破坏生态平衡，更会通过食物链富集引发癌症、神经损伤等健康危机。传统处理技术如化学沉淀、离子交换等存在成本高、二次污染等缺陷，而吸附法因其高效节能特性备受关注。石墨相氮化碳(g-C₃
N₄
)虽具有丰富的π电子和氨基官能团，但固有比表面积低限制了其应用。为此，沙特阿拉伯伊玛目穆罕默德·本·沙特伊斯兰大学的研究团队创新性地将钡掺杂二氧化钛(Ba-TiO₂
)与g-C₃
N₄
复合，开发出高性能吸附材料BaTiCN，相关成果发表于《Journal of Molecular Structure》。

研究采用三大关键技术：1) Pechini溶胶-凝胶法（以柠檬酸/乙二醇为螯合剂）低温合成Ba-TiO₂
纳米颗粒；2) 尿素热解法制备g-C₃
N₄
纳米片；3) 超声辅助复合技术实现材料精准组装。通过XRD、FTIR、XPS等多维表征确认材料结构，并系统考察pH值、接触时间等参数对Pb²⁺
吸附的影响。

【BaTiCN纳米吸附剂表征】
XRD显示复合材料保留g-C₃
N₄
的(002)晶面特征峰（27.98°），同时出现锐钛矿TiO₂
的特征衍射。BET测试揭示其比表面积达99.45 m²
/g，孔径分布以介孔为主（0.017 m²
/g孔体积），为重金属吸附提供丰富活性位点。FTIR证实材料表面存在大量-OH和-NH₂
官能团，XPS进一步验证了Ba²⁺
成功掺杂至TiO₂
晶格。

【吸附性能研究】
在pH=5.5、25℃条件下，BaTiCN对Pb²⁺
的饱和吸附量达450 mg/g，远超纯g-C₃
N₄
。动力学分析符合准二级模型，表明化学吸附主导过程；等温线拟合显示Langmuir模型相关性更高（R²

0.99），暗示单分子层吸附特性。竞争吸附实验中，Pb²⁺
在Cu²⁺
、Zn²⁺
等共存体系中的选择性系数达3.8-6.2，归因于其更高的电负性和离子半径匹配度。

【机制与再生性能】
研究人员提出三重作用机制：1) 材料表面-OH/-NH₂
与Pb²⁺
的配位作用；2) g-C₃
N₄
的π电子与Pb²⁺
的阳离子-π相互作用；3) 介孔结构的物理截留。使用0.1M HNO₃
解吸后，材料经5次循环仍保持85%以上吸附效率，SEM证实其结构稳定性良好。

该研究通过精准调控材料界面化学特性，成功开发出兼具高容量、强选择性和优异再生性能的吸附剂。BaTiCN复合材料不仅为工业废水处理提供了新方案，其Pechini法制备策略更为功能化纳米材料的可控制备提供了重要参考。这项成果对实现联合国可持续发展目标中"清洁饮水和卫生设施"具有积极意义，未来可通过扩大化生产和模块化装置设计推动实际应用。