构建具有相变和基面活化效应的网络磁性生物炭，用于吸附1T-MoS2纳米片：高效共吸附汞离子和全氟辛酸的机制研究

《Process Safety and Environmental Protection》：Constructing network magnetic biochar confined 1T-MoS 2 nanosheets with phase transition and base plane activation effect adsorbent: Insights into highly efficient co-adsorption of mercury ion and perfluorooctanoic acid

　　摘要：为实现全氟辛酸与重金属离子的高效协同吸附，本研究通过结合相变、形貌调控、基面活化及磁化处理，制备出一种三维层状1T-MoS2/磁性生物炭材料（1T-MoS2/Fe-BC）。该材料对汞离子和全氟辛酸具有优异的吸附能力。值得注意的是，即使在竞争性物质浓度升高的情况下，1T-MoS2/Fe-BC在二元体系中对目标物质的吸附容量仍高于单一体系。这一现象源于2H-MoS2向稳定1T-MoS2转变所带来的亲水性和层间距离增加，以及相变诱导的缺陷所导致的基面活化作用（尤其是对全氟辛酸的Mo位点活化），还有Fe-BC与缺陷1T-MoS2之间的协同效应。DFT模拟、系列实验及表征结果相互印证，有力支持了所提出的吸附机制。此外，采用1T-MoS2/Fe-BC构成的海绵状填充柱可实现水中汞离子和全氟辛酸的连续去除。绿豆生长实验表明，经过该柱处理后，含汞离子/全氟辛酸溶液的毒性显著降低。总体而言，1T-MoS2/Fe-BC在环境修复领域具有广阔的应用前景。

引言：医疗、制药、化工等行业产生的废水含有多种污染物，包括重金属离子、全氟化合物、个人护理产品、药品等，这些污染物会对人类健康和环境造成威胁（Aramesh等人，2024；Navidpour等人，2024）。汞离子是废水中的重金属之一，主要来源于金属冶炼和医疗领域。长期接触汞离子会损害器官功能，增加心脏病风险，还可能与肿瘤、神经系统异常等疾病相关（Wang等人，2026b）。全氟辛酸是一种工业化学品，广泛用于医疗器械清洗、药品包装、消毒等领域（Liu等人，2026a）。由于其高水溶性和生物累积潜力，全氟辛酸很难从水中去除。它与睾丸癌和肾癌有较强关联，已被国际癌症研究机构列为“可能致癌物”（Duh-Leong等人，2023）。近年来有研究表明，重金属与有机化合物的联合污染可能会增强毒性（Zhang等人，2021）。因此，开发高效方法去除汞离子和全氟辛酸对于保护人类健康和环境至关重要。

近年来，已有多种方法被用于去除汞离子和全氟辛酸。去除汞离子的方法包括吸附（Zheng等人，2026）、离子交换（Yusuf等人，2025）、化学沉淀（Rana等人，2026）、膜分离（El-Fattah等人，2025）等。而针对全氟辛酸的处理，则采用了生物修复（Ma等人，2023a）、吸附（Yang等人，2026）、膜过滤（Lee等人，2022）以及高级氧化工艺（Awoyemi等人，2025）等技术。其中，吸附因其简单性、成本效益高且可回收利用而受到广泛关注（Shi等人，2026）。值得注意的是，吸附技术常被用于同时去除这两种物质，这说明该技术具备同步去除汞离子和全氟辛酸的潜力。目前已报道的汞离子吸附剂包括SNN-MIL-125(Ti)@Fe3O4（Li等人，2023a）、噻吩基复合氧化物（Zhu等人，2025）、多酚功能化的聚吡咯甲烷（Wang等人，2024d）、双 Schiff碱纤维素纳米晶（Li等人，2023b）；而全氟辛酸的吸附剂则包括Fe3O4@颗粒活性炭（Xu等人，2020）、rGO-nZVI（Ali等人，2024）、有序介孔碳（Lei等人，2022）、热塑性聚氨酯/聚乙烯亚胺（Sun等人，2024）。可见，吸附汞离子的材料多为含氧/氮/硫成分的材料，其主要吸附机制为配位作用；而吸附全氟辛酸的材料则以碳基材料为主，静电作用和疏水作用是其主要吸附机制。汞离子与全氟辛酸吸附材料之间存在上述差异，这是由于二者物理化学性质存在很大差别，因此目前尚未有关于二者协同吸附的研究报道。

二硫化钼属于过渡金属硫化物中的一类特殊物质，主要由两种相组成：半导性的三角棱柱形2H相和金属性的八面体1T相。其富含硫的表面赋予了它独特的性质（Wei等人，2022）。通过路易斯软-软相互作用，二硫化钼具有很强的结合能力和去除重金属的潜力（Qiu等人，2023）。已有多项研究将二硫化钼用于去除重金属，通常使用的为2H相或M相（1T/2H混合相，以2H相为主）。例如，Zhao等人制备了1T/2H-MoS2@MMT，并将其用于选择性吸附铅离子（Zhao等人，2024c）；Hao等人则利用涂覆有1T/2H MoS2纳米花的聚合物微球从水中去除铅离子（Hao等人，2023）。目前，二硫化钼应用面临的主要挑战包括：（1）边缘活性位点利用率低；（2）基面不活跃；（3）因疏水性而在水中分散性差；（4）层间间距窄；（5）纳米片容易聚集；（6）在水中难以分离。将2H相转化为1T相是解决二硫化钼在吸附应用中面临部分问题的最佳途径之一。与2H相相比，1T-MoS2具有更强的亲水性（Pu等人，2026），这有助于材料更快与水中的目标物质接触。此外，1T相的层间间距更大（Li等人，2019），便于利用材料的层间位点。而且，1T-MoS2与重金属离子形成的复合物比2H-MoS2更稳定。目前已报道的相变方法包括碱金属离子插层（Dong等人，2026）、掺杂合金化（Zhang等人，2026b）、电子束辐照（Chen等人，2025）、静电调控（Wang等人，2017）、缺陷与应变工程（Fu等人，2026）。但目前存在的问题是，1T相的比例较低，且存在较多亚稳态结构（Rong等人，2025），这些因素限制了1T-MoS2的应用。选择合适且简单的相变方法，降低二硫化钼的总能量并制造缺陷，有望同时稳定并激活原本不活跃的基面。通过多策略协同改性构建复合材料，也有助于通过结构调控优化材料的内在性能（Zang等人，2026；Zhao等人，2024b）。另外，在骨架材料上垂直分布层状结构，可以改善二硫化钼的堆叠状态，产生我们之前研究中所提出的纵向空间效应（Wang等人，2024b），进而提升协同吸附性能。

基于其物理化学性质，碳基材料被视为处理含全氟烷基和多氟烷基物质污染水的优质吸附剂（Hu等人，2026）。其中，生物炭作为一种环保、廉价且可从普通生物质中获得的材料，可作为大规模水处理中常用其他碳基吸附剂的良好替代品（Batool等人，2024；Wei等人，2024）。生物炭对全氟辛酸的吸附能力可能主要受其孔结构、比表面积和芳香性等因素影响（Krebsbach等人，2023）。或许可以通过结构设计与磁化处理相结合的方式，制备出具有磁性且三维多孔结构的生物炭，从而增加全氟辛酸的吸附位点，提供高效的传质路径，便于后续的分离与回收。此外，生物炭的独特结构可作为良好的分散载体，将1T-MoS2纳米片近乎垂直地整合到生物炭上，有望解决二硫化钼边缘位点利用率低和堆叠问题。总体而言，尽管难度较大，但通过多策略协同设计，有望开发出能够高效同时吸附全氟辛酸和重金属的高性能吸附剂。

本研究通过同步磁化和碳化处理，制备出了磁性三维多孔生物炭材料（Fe-BC）。随后，通过近乎垂直的方式在Fe-BC上生长以2H-MoS2为主的混合相M-MoS2，并通过相变策略将其转化为1T-MoS2复合型Fe-BC吸附剂（1T-MoS2/Fe-BC）。以汞离子和全氟辛酸为目标物，分别在单一体系和二元体系中评估了1T-MoS2/Fe-BC的吸附性能。并通过实验研究和理论计算，系统研究了其可能的吸附机制。本研究为通过多种策略的协同作用，设计和开发具有优异协同吸附能力的吸附剂提供了重要参考。

化学品与仪器信息：本研究所需的化学品及仪器相关信息见文本S1和S2。

Fe-BC的制备：将松果粉碎，用自来水冲洗约三次，然后在60℃下干燥过夜。具体操作为：将2.5克松果和0.8克K2FeO4加入40毫升去离子水中，置于70℃的水浴中搅拌4小时。之后将所得悬浮液在60℃的烤箱中干燥。得到的粉末再通过管式炉进行煅烧（温度700℃，时间2小时，升温速率5℃/分钟）。最后得到固体样品。

表征：为观察BC、Fe-BC、M-MoS2/Fe-BC以及1T-MoS2/Fe-BC的形貌和微观结构，进行了扫描电子显微镜分析。如图2A所示，直接由松果碳化得到的生物炭BC呈块状结构，表面相对光滑。而通过对生物质（松果）进行铁酸钾处理并同步煅烧得到的Fe-BC（图2B），则呈现出高度多孔的结构，且存在大量细小颗粒。

结论：本研究提出了一种有效策略，可拓展基于二硫化钼的材料在重金属离子和全氟辛酸协同吸附中的应用。成功制备出了具有层状互连网络结构的1T-MoS2/Fe-BC。该材料在单一体系中对汞离子和全氟辛酸的吸附容量分别高达454.54毫克/克和312.50毫克/克。值得注意的是，在二元体系中，汞离子和全氟辛酸的吸附量分别上升至714.28毫克/克（全氟辛酸浓度为50毫克/升）和370.37毫克/克（汞离子浓度为50毫克/升）。

CRediT作者贡献声明：刘明霞：写作——审阅与编辑、验证、方法学、数据整理。林新如：软件、方法学、数据整理。王胜学：形式分析、数据整理。高波：监督、资源提供。刘斌：可视化、项目管理。王阳：写作——审阅与编辑、初稿撰写、可视化、实验研究、资金获取、概念构思。

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财务利益或个人关系。

致谢：本项目得到了辽宁省高校基本科研业务费（项目编号LJ212410140024）以及辽宁省储能与利用重点实验室基金（项目编号CNWK202402）的支持。作者还要感谢参与本研究的同事及其他学生们的帮助。

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