自推进的硫醇功能化SiO2@MnO2微结构用于从水环境中动态提取污染物

《Scientific Reports》：Self-propelled thiol functionalized SiO2@MnO2 microstructure for dynamic extraction of pollutants from the aquatic medium

　　

摘要

全球淡水危机日益严重，这一现象既源于淡水供应不足，无法满足人类活动和生态需求，也源于人们普遍无法获得安全、廉价的饮用水。其中尤为关键的问题是水资源受到有毒重金属（尤其是铅(Pb)和镉(Cd)的污染。这些重金属具有长期的神经毒性作用，并且在环境中难以降解，对人类健康构成严重威胁。在这项研究中，我们开发并应用了一种新型自驱动的Janus微结构，能够高效去除来自海水、地下水和湖水等多种水环境中的Pb²⁺和Cd²⁺离子。该自驱动微结构由硫醇功能化的二氧化硅包覆锰氧化物(SiO₂@MnO₂@SH)组成，在过氧化氢存在下利用自扩散泳动机制来增强吸附效果。我们通过XRD、SEM和ATR-FTIR等技术对这种材料的结晶性、形态和表面化学性质进行了全面分析。在FTIR光谱中，观察到硫醇功能团在2550 cm^?1处的特征峰；SEM图像显示，经过H₂O₂处理的SiO₂@MnO₂@SH微结构中存在孔隙。实验结果表明，该微结构在pH值为2–4时对Pb的吸附效率超过99%，在pH值为2–3时对Cd的吸附效率超过96%。吸附数据符合Langmuir、Freundlich和Sips等吸附模型，表明其具有良好的吸附性能。我们还在277 K和301 K两种温度下进行了动力学研究，以评估温度对吸附速率的影响。同时，通过密度泛函理论(DFT)分析了界面相互作用的基本机制。计算结果显示，Cd²⁺的结合能为?175.95 kcal mol^?1，Pb²⁺的结合能为?179.91 kcal mol^?1。研究结果表明，经H₂O₂激活的SiO₂@MnO₂@SH微结构是一种有效的动态吸附剂，可用于净化受污染的水体中的铅和镉，为先进的水处理技术提供了新的思路。