层状MXene/PPy复合材料通过电容去离子法去除水中的重金属Pb2+

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Layer-structured MXene/PPy composite for removal of heavy metal Pb2+ from aqueous water via capacitive deionization

　　

摘要

重金属Pb²⁺是水中常见的有毒污染物。电容去离子技术作为一种新兴的电化学分离技术，在重金属废水处理领域受到了广泛研究关注。本研究提出了一种双功能结构调控策略，即层间支撑与导电网络构建，旨在解决CDI系统中二维MXene纳米片严重堆叠所导致的性能瓶颈问题。通过冷冻干燥结合原位聚合方法，制备了负载纳米粒子的层状MXene/聚吡咯复合材料，并将其用作去除Pb²⁺的CDI电极。均匀分布在MXene表面及层间的PPy纳米粒子能够有效抑制MXene纳米片的堆叠，增大比表面积和孔容，同时保持原有的层状结构。MXene与PPy形成的协同导电网络显著提升了电极性能。在1安培/克的电流密度下，该复合电极的比电容可达92.70法拉/克，远高于纯MXene的27.30法拉/克，且具有更好的速率性能和界面导电性。在1.2伏特、pH值为6、流速为25转/分钟的优化条件下，该电极对Pb²⁺的平衡吸附容量可达156.8毫克/克，其性能优于纯MXene以及大多数类似材料。即便经过10次吸附-解吸循环后，该电极的吸附容量仍保持在100毫克/克以上，去除效率超过50%，展现出优异的循环稳定性。Pb²⁺的去除主要依赖于静电吸附、离子插层和表面络合的协同作用。这种兼具优异吸附能力和结构稳定性的MXene/PPy复合材料，有望用于实际处理含Pb²⁺的废水。

引言

重金属污染已成为全球范围内亟待解决的环保问题[1]。这类污染物具有极强的毒性且不可生物降解，会对自然生态系统和人类健康造成长期且不可逆的损害[2]。铅离子（Pb²⁺）是一种典型的有害重金属污染物，广泛存在于工业废水、生活污水和地表水中[3]。长期接触Pb²⁺会严重损害神经系统、造血系统和消化系统，对儿童和孕妇等弱势群体危害更大[4]。因此，开发高效、经济且环保的技术来去除水中的Pb²⁺，对于控制水污染具有重要的现实意义[5]、[6]。

目前常用的含Pb²⁺废水处理技术都存在一定的局限性[7]。化学沉淀法会产生大量危险污泥，且需要对pH值进行严格控制；离子交换树脂容易发生污染，使用寿命较短；膜分离技术需要在高压下运行，且易出现膜结垢现象；传统吸附剂则普遍存在吸附动力学慢、再生性能差的问题[8]。作为一种具有前景的水处理电化学方法，电容去离子技术因能耗低、操作简单、条件温和、电极易于再生且不会产生二次污染等优点，被广泛用于含重金属废水的处理[9]、[10]。在CDI系统中，带电离子是通过外部电场驱动的电双层电容效应被截留的[11]。作为整个技术的核心组成部分，电极材料对CDI系统的整体性能有着决定性影响[12]。为了实现高效的离子去除，高质量的CDI电极需要具备高比表面积、优异的导电性、丰富的活性位点以及较强的结构稳定性[13]、[14]。

MXene属于二维过渡金属碳化物/氮化物，是用于通过CDI技术去除水溶液中Pb²⁺的优质电极基底[15]、[16]、[17]。它之所以具有出色的应用优势，得益于其独特的层状结构、优异的金属导电性、丰富的表面官能团以及可调节的层间距离[18]。以Ti₃C₂T_x为代表的MXene具有明确的层状结构，能够为Pb²⁺的迁移、插层和脱附提供连续的传输通道[19]。相关研究表明，经氮掺杂处理的Ti₃C₂T_x在100毫克/升NaCl电解质中，经过电吸附处理后可将Pb²⁺的浓度从4.95毫克/升降至0.02毫克/升[20]。此外，MXene/海藻酸盐复合材料对Pb²⁺的平衡比吸附容量可达382.7毫克/克[21]。MXene本身的高导电性有助于降低电极内阻，优化电荷传输，从而提升CDI系统的整体性能[22]。然而，在MXene纳米片的合成过程中，常常会出现严重的堆叠和团聚现象，这会显著降低有效比表面积，阻碍离子传输路径，减少活性吸附位点，进而导致基于MXene的电极对Pb²⁺的吸附容量下降[23]。

对于用于去除重金属的CDI系统，聚吡咯因其优异的电化学活性、易于制备且成本较低而被广泛应用[24]。聚吡咯具有多孔的微观结构，能够提供大量的物理吸附位点[25]。其分子骨架上的含氮官能团可以通过配位和静电作用捕获Pb²⁺。此外，聚吡咯还具有良好的导电性[26]。有研究显示，聚吡咯/氧化石墨烯复合材料对Pb²⁺具有较好的电吸附性能，其平衡比吸附容量可达41.51毫克/克[27]。还有研究制备了聚吡咯与空气等离子体活化的碳纳米管复合材料用于去除Pb²⁺，该材料的平衡比吸附容量为16.55毫克/克[28]。不过，纯聚吡咯的机械强度较差，在反复的离子插层和脱层过程中容易发生结构膨胀和粉碎，从而导致其吸附性能迅速下降[29]。因此，仅使用聚吡咯无法满足长期稳定处理含Pb²⁺废水的要求。

虽然将MXene与导电聚合物结合是一种有效的缓解MXene纳米片堆叠问题的方法，但此前报道的大多数MXene/PPy电极仍然存在明显缺陷。在很多情况下，不可控的原位聚合会导致PPy在MXene表面的聚集不均匀，从而阻塞层间离子传输通道，限制活性位点的暴露。此外，目前针对Pb²⁺电吸附应用的MXene/PPy CDI电极研究较少，MXene与PPy在捕获重金属过程中的界面协同机制也尚未得到充分阐明。

为了解决上述问题，本研究提出了一种双调控策略，即通过层间间距调控和导电网络构建，来减轻MXene纳米片的严重堆叠现象，最大限度地利用电活性位点。鉴于MXene与PPy的互补特性，本研究通过蚀刻结合原位聚合方法，制备了负载纳米粒子PPy的层状MXene/PPy复合材料。MXene本身的层状结构有助于促进Pb²⁺离子的插层和迁移，而PPy的碳-氮框架则能为吸附提供大量活性位点。电化学测试表明，该复合电极在1安培/克的电流密度下具有92.70法拉/克的比电容，这一数值远远高于相同测试条件下MXene的比电容。在最优实验条件下，即1.2伏特电压、25转/分钟的流速、pH值为6以及初始Pb²⁺浓度为100毫克/升时，该复合电极对Pb²⁺的平衡比吸附容量可达156.8毫克/克。即便经过10次吸附-解吸循环后，该电极的吸附容量仍保持在100毫克/克以上，离子去除效率超过50%，显示出出色的再生性能和循环稳定性。

章节节选

MXene

称取3克Ti₃AlC₂粉末，将其缓慢加入60毫升40%的氢氟酸溶液中。为防止过热，将混合液在35摄氏度下搅拌72小时。反应完成后，将所得产物离心，并用蒸馏水多次洗涤，直至pH值变为中性。随后，将沉淀物冷冻干燥48小时[30]。

MXene/PPy

在典型的制备过程中，将0.2克MXene粉末和2.0克对甲苯磺酸加入130毫升去离子水中，然后将所得悬浮液超声处理0.5小时

形态与结构分析

MXene（见图2a和图2b）呈现出典型的手风琴状层状堆积结构，层间存在明显的间隙，保持了经蚀刻处理后的MXene原有的层状形态。此外，负载了PPy的MXene/PPy复合材料表面（见图2c）均匀覆盖着球形的PPy颗粒。这些PPy纳米粒子紧密附着在MXene层的表面以及层间空隙中，从而在保持MXene原有层状结构的同时

结论

本研究提出了一种双功能结构调控策略，即通过层间支撑与导电网络构建，来解决MXene纳米片严重堆叠的问题。通过原位聚合方法，成功制备了负载纳米粒子PPy的层状MXene/PPy复合材料，并将其用作CDI电极用于去除Pb²⁺。材料表征结果表明，PPy均匀地锚定在MXene纳米片的表面和层间，这

作者贡献说明

魏本龙：撰写——初稿。 王一飞：撰写——初稿。 冯宇：方法设计、数据整理。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了渭南师范学院学科建设规划项目（项目编号：2025XKJS04）以及陕西省体育局一般科研项目的资助。

魏本龙|王一飞|冯宇

中国陕西省渭南市渭南师范学院环境与生命科学学院，邮编714099