立方相尖晶石结构FeNi2S4纳米片选择性吸附Au(III)的机制研究及其在贵金属回收中的应用

本研究针对黄金资源短缺问题，开发了具有立方尖晶石结构的介孔FeNi2S4纳米片吸附剂，通过水热法合成并系统评估其对Au(III)的选择性吸附性能。结果表明该材料在pH 2.5条件下吸附效率达98%，最大吸附容量307 mg/g，经Sips等温模型和XPS分析证实其强化学吸附机制，为贵金属回收提供了高效可持续的解决方案。

　　

随着电子医疗设备和航空航天技术的快速发展，黄金(Au(III))的需求量激增，但传统采矿方式已无法满足供应需求。更棘手的是，工业废水和电子垃圾中含有大量未被回收的黄金资源，这些"城市矿山"的回收率不足30%。如何从复杂溶液中高效提取黄金，成为制约可持续发展的关键瓶颈。现有吸附材料普遍存在选择性差、成本高、二次污染等问题，开发新型吸附剂迫在眉睫。

希腊国家科学研究中心"Demokritos"纳米科学与纳米技术研究所(Institute of Nanoscience and Nanotechnology, NCSR "Demokritos")的Mohamed M. Elsenety团队创新性地采用水热法合成立方相尖晶石结构FeNi₂S₄纳米片，通过系统优化制备参数获得具有介孔结构的纳米吸附剂。研究采用X射线衍射(XRD)、高分辨透射电镜(HR-TEM)等表征手段确认材料结构，结合zeta电位和X射线光电子能谱(XPS)深入解析吸附机制。相关成果发表在《Inorganic Chemistry Communications》上，为贵金属回收提供了新思路。

关键技术包括：1)水热法制备FeNi₂S₄纳米片；2)XRD和选区电子衍射(SEAD)分析晶体结构；3)N₂吸附-脱附测试比表面积；4)批量吸附实验优化pH、接触时间等参数；5)等温线和动力学模型拟合；6)XPS分析表面化学状态。

【结构表征】XRD图谱显示样品为纯立方相尖晶石结构(空间群Fd-3m)，晶格常数8.34 ?。HR-TEM观察到清晰的(311)晶面间距(2.5 ?)，BET测试显示介孔结构(孔径3-5 nm)和高达147 m²/g的比表面积。

【吸附性能】在pH 2.5、30分钟条件下，吸附效率达98%，最大容量307 mg/g。选择性实验表明，即使存在10倍浓度的Cu²⁺、Zn²⁺等干扰离子，Au(III)吸附率仍保持95%以上。

【机制分析】Sips模型(R²=0.995)最佳拟合等温线数据，表明存在多分子层吸附。动力学符合准一级(PFO)、Avrami和Bangham模型，Weber-Morris模型证实吸附分边界层扩散和颗粒内扩散两阶段进行。XPS证实Au(III)被还原为Au(0)并与硫形成Au-S键。

【实际应用】经过5次吸附-脱附循环，材料仍保持92%的初始效率。每克FeNi₂S₄可处理约3.5 L含金废水(10 ppm)，具有工业化应用潜力。

该研究首次系统阐明了尖晶石硫化物对Au(III)的吸附还原机制，创制的FeNi₂S₄纳米片具有三大优势：1)超高吸附容量(307 mg/g)远超商业树脂(通常<100 mg/g)；2)优异的选择性(pH 2.5时对Au(III)/Cu²⁺分离系数达286)；3)良好的循环稳定性。这项成果不仅为贵金属回收提供了新型绿色材料，其揭示的硫化物-金属相互作用机制对开发其他重金属吸附剂也具有重要指导意义。特别值得注意的是，研究中建立的两步扩散模型和化学还原吸附机制，为理解类似材料的吸附过程提供了理论框架。