壳聚糖/SiO2杂化气凝胶的构建及其高效吸附铜离子机制研究

针对水体铜离子污染治理难题，研究人员通过溶胶-凝胶法制备具有分级多孔结构的SiO2/壳聚糖杂化气凝胶。当壳聚糖含量达40 wt%时，材料对Cu2+吸附容量达35.72 mg/g，去除率81%，其机制涉及静电吸附及C-O-Cu/Cu-NH2化学相互作用，为重金属污染治理提供新型环保吸附剂。

　　

随着工业发展，重金属污染已成为全球性环境问题。铜离子（Cu²⁺）作为常见污染物，通过食物链富集会引发神经系统疾病和器官损伤。传统处理方法如沉淀法、离子交换等存在成本高、二次污染等问题，而吸附法虽具优势却受限于吸附剂性能。在这一背景下，湖北汽车工业学院（Hubei University of Automotive Technology）的研究团队在《International Journal of Biological Macromolecules》发表研究，创新性地将生物高分子壳聚糖（chitosan）与无机二氧化硅（SiO₂）结合，开发出兼具高吸附容量和环境友好特性的杂化气凝胶。

研究采用溶胶-凝胶法制备材料，通过冷冻干燥获得三维多孔结构。关键技术包括：扫描电镜（SEM）表征微观形貌、X射线光电子能谱（XPS）分析元素价态、傅里叶变换红外光谱（FTIR）鉴定官能团，以及热重分析（TGA）评估热稳定性。

【结构表征】电镜显示杂化气凝胶形成均匀纳米孔道（图2），当壳聚糖含量≤20 wt%时，材料密度降低而孔隙率提升至86.7%，比表面积达412 m²/g。X射线衍射证实SiO₂保持非晶态，壳聚糖的引入未破坏网络结构。

【吸附性能】吸附实验表明，40 wt%壳聚糖样品对Cu²⁺的饱和吸附量达35.72 mg/g，优于多数报道材料。动力学分析显示ΔH°为-13.1 kJ/mol，证实放热反应特性；ΔG°<0说明过程自发进行，符合拟二级动力学模型。

【作用机制】FTIR发现吸附后-NH₂峰位移（1596→1612 cm^-1），XPS检测到Cu 2p_3/2结合能934.5 eV，证实Cu-N配位键形成。同步出现的C-O-Cu键（288.8 eV）和Si-O-Cu键（102.8 eV）揭示多重吸附途径：既通过氨基静电吸引，又经羟基/硅醇基化学络合。

该研究突破传统气凝胶机械强度差的瓶颈，通过有机-无机杂化策略使材料压缩强度提升3倍。环境适应性测试显示，材料在pH 3-9范围内保持稳定吸附效率，5次循环后仍保有初始容量的89%。研究为重金属污染治理提供兼具高效性、生物降解性和低成本特性的解决方案，其提出的"骨架增强-活性位点协同"设计思路对功能材料开发具有普适指导意义。