基于CTAB增强型铁基MOFs材料的高效钨钼选择性吸附分离技术研究

针对钨(W)和钼(Mo)分离难题，研究人员创新性地采用铁基金属有机框架(MIL-53(Fe))结合十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)络合策略，实现了中性/碱性条件下W/Mo的高效分离。该材料最高分离因子(βW/Mo)达37.73，W吸附容量(QW)突破1272.4 mg/g，且在pH 7-12范围内保持稳定性能，为资源回收领域提供了绿色可持续的解决方案。

　　

在工业合金、电子器件和化学催化剂领域，钨(W)和钼(Mo)这对"孪生金属"因其优异的机械与化学性能备受青睐。然而自然界的造化弄人让这对元素如同形影不离的兄弟——它们不仅常伴生于矿石中，在二次资源回收时也难分难解。更棘手的是，二者相似的离子半径（源自镧系收缩效应）和化学性质，使得传统分离方法往往陷入"杀敌一千自损八百"的困境：沉淀法产生大量污泥，溶剂萃取工艺冗长，离子交换树脂的分离因子(β_W/Mo)仅20左右。面对高纯度金属的市场需求与环保压力，开发新型分离材料迫在眉睫。

北京工业大学的研究团队将目光投向金属有机框架(MOFs)这一明星材料。这类由金属节点与有机配体构建的晶态多孔材料，凭借其可调控的孔径结构和丰富的活性位点，在吸附分离领域展现出独特优势。研究者选择铁基MOF材料MIL-53(Fe)作为主角，不仅因其环境友好特性，更考虑到Fe(III)位点对W可能存在特殊亲和力。而真正的神来之笔，是引入表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)作为"分子守门员"——它能选择性地与MoO₄^2?形成络合物，从而阻断Mo的竞争吸附。

研究团队采用溶热法在110°C下结晶20小时成功合成MIL-53(Fe)，通过X射线衍射(XRD)和傅里叶变换红外光谱(FT-IR)确认其结构完整性。吸附实验设计包含单金属体系和W-Mo二元体系，重点考察pH值、CTAB浓度等参数影响。采用电感耦合等离子体(ICP)精确测定金属浓度，结合X射线光电子能谱(XPS)和密度泛函理论(DFT)计算揭示作用机制。

【合成条件优化】
XRD图谱显示110°C合成的样品结晶度最佳，温度升至170°C后出现杂峰。氮气吸附-脱附测试揭示材料具有均一孔径分布，比表面积达980 m²/g，为金属离子吸附提供充足空间。

【吸附性能突破】
在pH=8的无CTAB体系中，MIL-53(Fe)对W的吸附容量(Q_W)已达547.6 mg/g，分离因子(β_W/Mo)23.93。当加入CTAB后，Q_W飙升至1272.4 mg/g，β_W/Mo提升至37.73——这是目前报道的最高值之一。特别值得注意的是，这种卓越性能在pH 7-12宽范围内保持稳定，克服了传统吸附剂pH适用范围窄的缺陷。

【机制揭示】
XPS分析发现W 4f轨道结合能偏移表明Fe-O-W键的形成，而Mo 3d轨道未见明显变化。DFT计算证实Fe(III)位点与W的吸附能(-2.34 eV)显著低于Mo(-1.56 eV)。CTAB的季铵基团通过静电作用捕获MoO₄^2?，形成空间位阻效应。

【实际应用验证】
经过5次吸附-脱附循环，材料保持90%以上吸附效率。对真实电镀废水处理时，W回收率仍达85%以上，且所得产品纯度满足GB/T 3457-2018标准。

这项由Congjian Zhang等人发表在《Desalination》的研究，开创性地将MOFs材料与表面活性剂协同策略应用于W/Mo分离领域。其意义不仅在于创纪录的吸附性能指标，更在于提供了一种"以废治废"的绿色思路：CTAB本身是常见的工业废水成分，而铁基MOFs的低毒特性大幅降低环境风险。该技术为战略金属资源循环利用提供了新范式，对于缓解我国钨钼资源对外依存度具有重要战略价值。正如研究者所言，这种材料就像一位智慧的化学裁判，能精准判定W和Mo这对"双胞胎"谁该留在赛场，谁该暂时离场。