金属1T-VS型吸附剂的合成与表征：用于去除亚甲蓝

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Synthesis and Characterization of Metallic 1T-VS 2 Adsorbents for Methylene Blue Removal

　　

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  1T-VS₂纳米片通过水热法合成，成为新型且高效的吸附剂。
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  VS₂-200具有最高的比表面积（10.97?m²?g^-1）和最大的孔隙体积（0.03324?cm³?g^-1）。
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  VS₂-200的亚甲蓝最大吸附容量（q_{e = 28.02 mg?g^{-1，qmax = 53.19 mg?g-1）。}}
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  吸附动力学数据符合拟二级模型。
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  Weber–Morris分析证实了边界层和颗粒内部扩散的作用。

引言

纺织行业由于大量用水和排放含染料的废水，对环境污染贡献显著。亚甲蓝（MB）染料常用于天然纤维（如羊毛、棉花和丝绸）的着色[1],[2]。由于其稳定的化学结构和耐降解性，MB在纺织废水中可长期存在，从而对水生环境造成严重影响。将含MB的废水排放到自然水体中会导致光照穿透减少、光合作用下降，并破坏水生生态系统的平衡[3]。此外，MB还会引发恶心、呕吐、腹泻、眼睛刺激、呼吸系统问题及溶血等健康问题[4],[5]。因此，必须开发有效的处理方法来阻止MB进入环境并对人体健康造成危害。

已采用多种物理（吸附、膜过滤）、化学（氧化、沉淀）和生物（活性污泥、生物曝气过滤）方法去除废水中的MB[6]。吸附技术因其使用低成本吸附剂、高去除效率以及实验设置简便而备受青睐[7],[8],[9],[10]。活性炭、天然粘土矿物、沸石、农业生物质衍生生物炭、可持续金属氧化物纳米复合材料等低成本生物吸附剂已被广泛研究作为功能吸附材料[11],[12],[13],[14],[15],[16],[17],[18],[19],[20],[21]。然而，尽管这些方法应用广泛，传统吸附剂仍存在一些实际限制。商用活性炭的高成本和特定生产要求限制了其广泛使用[22]。对于天然沸石等矿物，反复使用后孔隙堵塞导致的效率下降是一个亟待解决的问题[23]。类似地，生物吸附剂（如壳聚糖）在再生过程中的长期化学稳定性和结构降解也会影响其实际应用效果[24]。为了克服这些限制，需要设计出具有较大表面积、可控表面化学性质和耐用结构特性的新型吸附剂。近期，二维（2D）过渡金属硫属化合物（TMDs），尤其是MoS₂和WS₂

VS₂属于TMD家族，具有类似石墨的层状晶体结构，可合成半导体的2H相和金属的1T相。其层状晶体形态、高表面活性以及机械和磁性能为多种应用提供了优势[36],[37],[38],[39],[40],[41]。虽然已有研究探讨了半导体2H-VS₂纳米结构在光照下的有机染料降解作用[42],[43]，但光驱动过程通常需要持续能量输入且存在光腐蚀风险。此外，从材料合成角度来看，在硫化钒化学中，低温合成时常会产生富含硫的混合相（如单斜相VS₄），这会阻碍电荷转移并改变表面吸附位点。1T-VS₂具有金属导电性、高室温热稳定性，并且活性基面无需外部光激发或热激活即可暴露，使其成为理想的无需能量的暗处吸附剂。然而，关于水热合成条件如何控制从富硫杂质（VS₄）到1T-VS₂的相变，以及这种相纯度如何直接影响有机污染物吸附能力的研究尚不充分。

为弥补这一空白并克服传统2H-VS₂光催化剂对外部能量和光腐蚀的依赖，本研究通过水热法合成了金属1T-VS₂吸附剂。通过调节水热合成温度（120–200 °C），成功实现了从富硫杂质到高度结晶的金属1T-VS₂的相变。同时，全面评估了关键操作参数（离子强度、选择性、再生能力和零电荷点pH_PZC），首次阐明了金属1T-VS₂的吸附特性和机制。总体而言，这项研究表明水热工程化的1T-VS₂

章节摘录

VS2染料吸附剂的水热制备

如图1所示，通过水热法在不同反应温度下制备了用于去除亚甲蓝的VS₂吸附剂。制备过程中使用了偏钒酸铵（NH₄VO₃-Merck ≥99%）、硫代乙酰胺（C₂H₅NS-Merck ≥99%）、氨水（NH₃-Merck）和去离子水（DIW）。所有溶液的浓度比n_V/n_S = 1/4。将NH₄VO₃（0.5849 g，0.1 M）溶解在50 mL去离子水中并搅拌10分钟后，加入NH₃（10 mL）...

VS2染料吸附剂的结构分析

不同反应温度下制备的VS₂吸附剂的XRD图谱见图2(a)。随着温度升高，晶体相组成和晶格排列发生显著变化。对于VS₂-120样品（(002)-VS₂、(110)-VS₂、(110)-VS₄和(020)-VS₄，观察到正交晶系VS₂（PDF: 98-007-7832）和单斜晶系VS₄（PDF: 98-006-4770）的存在。120 °C的合成温度可能不足以完全转化...

结论

本研究评估了在120-200 °C范围内水热合成的金属1T-VS₂纳米结构作为MB去除剂的性能。通过系统减少富硫杂质并提高样品结晶度，实现了最佳的热优化效果。优化的VS₂-200具有较大的比表面积（10.97 m² g^-1）和孔隙体积（0.03324 cm³ g^-1），并且实验数据显示其具有接近完全的MB去除能力...

CRediT作者贡献声明

Orkun Gultepe：负责撰写初稿、方法学设计、实验研究及数据分析。Hande Yaldiz：负责撰写初稿、方法学设计、实验研究及数据分析。Emre Gür：负责撰写初稿、方法学设计、实验研究及数据分析。Hasan Feyzi Budak：负责撰写初稿及实验研究。Ferhunde Atay：负责撰写初稿、指导及方法学设计。

作者声明以下可能构成利益冲突的财务关系或个人关系：Ferhunde Atay报告称设备、药品或耗材由土耳其科学技术研究委员会（TUBITAK）提供。若存在其他作者，他们也声明没有已知的可能影响本文研究的财务冲突或个人关系。

本研究得到了土耳其科学技术研究委员会（TUBITAK）项目编号124F124的支持。

我们确认不存在可能影响本研究结果或解释的财务或个人利益冲突。

Orkun Gultepe|Hande Yaldiz|Emre Gür|Hasan Feyzi Budak|Ferhunde Atay