双金属离子定位及其协同效应对粉煤灰基改性沸石砷吸附性能的影响：实验与模拟研究

本研究针对水体砷污染治理需求，通过原位水热法合成Y3+/Zr4+双金属改性沸石（YZr-A），结合DFT模拟揭示了金属离子在α笼（counterion）和β笼骨架（skeleton）的精准定位机制，证实双金属协同作用可提升13.53 wt%金属负载量，形成Y-Zr-As(V)三元复合物，为粉煤灰资源化制备高效As(V)吸附剂提供理论依据。

　　

砷污染是威胁全球19国饮用水安全的重大环境问题，其中高毒性的五价砷(As(V))以AsO₄^3-等阴离子形态存在，传统沸石因表面负电荷难以有效吸附。如何将富含硅铝的工业废料粉煤灰转化为高效除砷材料，成为环境工程领域的研究热点。内蒙古自治区鄂尔多斯热电厂与中国科研团队合作，在《Journal of Environmental Chemical Engineering》发表突破性成果，通过创新性的双金属改性策略，让废弃粉煤灰"变身"砷污染克星。

研究采用原位水热法同步引入Y³⁺和Zr⁴⁺两种Lewis酸金属离子，结合X射线衍射(XRD)和密度泛函理论(DFT)模拟等关键技术，系统分析了金属离子的空间分布规律。特别关注了内蒙古粉煤灰原料的矿物组成特征，通过硅藻土补硅优化了沸石骨架结构。

【Introduced metal ion type determination】
XRD证实双金属改性使沸石结晶度保持稳定，同步辐射光谱显示Y³⁺和Zr⁴⁺存在两种存在形态：作为α笼中的平衡电荷counterion，以及取代β笼周围骨架的Al³⁺/Si⁴⁺位点。

【Bimetallic ion synergism analysis】
DFT计算揭示Y-Zr间存在3.2?的最优配位距离，双金属协同使YZr-A的金属负载量(13.53 wt%)显著高于单金属Y-A沸石(9.81 wt%)，形成更强的As(V)配位活性位点。

【As(V) adsorption mechanism】
EXAFS谱图首次捕获到Y-O-As(2.31?)和Zr-O-As(1.98?)配位键，证实α笼中双金属与As(V)形成"钳形"三元复合物；骨架取代金属则通过增强表面Lewis酸性提升吸附容量。

该研究开创性地绘制出改性沸石中金属离子的精确定位图谱，阐明双金属协同的"1+1>2"效应：Y³⁺提供长程静电吸引，Zr⁴⁺负责短程配位锁定，使As(V)吸附量提升47%。这不仅为粉煤灰高值化利用提供新思路，更建立了"金属定位-协同效应-吸附性能"的定量构效关系模型，对设计新一代重金属吸附材料具有重要指导意义。论文中关于β笼骨架金属化增强Lewis酸性的发现，甚至为沸石催化剂设计提供了跨界启示。