锰钴双金属有机框架/硫掺杂MXene复合材料高效去除水中Pb2+ 的机理与DFT研究

针对水体铅污染治理难题，研究人员开发了Mn–Co-BTC@MOF/S-MXene复合吸附剂，通过FTIR、XPS等表征证实其结构特性，该材料在pH 6条件下对Pb2+ 的吸附容量达857.98 mg/g，结合DFT计算揭示了硫/氧官能团的关键作用，为高选择性重金属去除提供了新策略。

　　

随着工业化和城市化进程加速，水体重金属污染已成为全球性环境危机。其中铅离子(Pb²⁺
)因其强神经毒性备受关注——即使微量暴露也可导致儿童智力发育迟缓，成人心血管疾病风险倍增。传统处理技术如化学沉淀法产生大量污泥，反渗透膜成本高昂，而普通吸附剂如活性炭又面临选择性差、容量低的瓶颈。

在此背景下，研究人员创新性地将双金属有机框架(Mn–Co-BTC@MOF)与硫掺杂MXene复合，构建出兼具高比表面积和特异性结合位点的新型吸附材料。通过系统实验与理论计算相结合，证实该复合材料在30分钟内即可实现857.98 mg/g的Pb²⁺
吸附容量，且对Pb²⁺
的选择性显著优于Cd²⁺
、Zn²⁺
等竞争离子。这项发表于《Chemosphere》的研究，为开发高效重金属污染治理技术提供了重要理论依据和实践方案。

关键技术方法包括：1) 溶剂热法合成Mn–Co-BTC@MOF；2) 氢氟酸蚀刻法制备Ti₃
C₂
T_x
MXene并进行硫掺杂；3) 采用FTIR、XPS、Zeta电位等表征材料特性；4) 结合Langmuir/Freundlich模型分析吸附行为；5) 通过DFT计算和分子动力学模拟揭示作用机制。

【材料合成与表征】
通过FTIR检测到C–S键(919 cm^?1
)和金属-羧基配位键(1384 cm^?1
)，XPS证实了Mn²⁺
/Co²⁺
的共存状态。Zeta电位显示材料在pH 6时表面带-22.8 mV强负电，为零电荷点(pH_pzc
=3.4)的测定提供依据。

【吸附性能】
在298K、pH 6条件下，复合材料对Pb²⁺
的q_max
达857.98 mg/g，吸附过程符合伪二级动力学模型(R²

0.99)，表明化学吸附占主导。选择性实验显示吸附效率顺序为Pb²⁺
Cd²⁺
Zn²⁺
Cu²⁺
。

【机理研究】
DFT计算表明硫原子通过孤对电子与Pb²⁺
形成强配位键，Mulliken电荷分析显示吸附后Pb原子电荷减少0.23|e|。蒙特卡洛模拟进一步验证了MXene层间通道对Pb²⁺
的限域效应。

该研究通过"材料设计-性能验证-机理阐释"的全链条研究，证实Mn–Co-BTC@MOF/S-MXene复合材料兼具快速动力学、高容量和优异选择性三大优势。特别值得注意的是，硫掺杂不仅增强了MXene稳定性，其与Pb²⁺
的特异性结合能力更是突破传统吸附剂性能瓶颈的关键。这项成果为发展智能型水处理材料提供了新思路，对实现联合国可持续发展目标(SDG6)具有重要实践价值。未来研究可进一步探索材料在实际复杂水体中的长期稳定性及再生利用性能。