阿贡国家实验室陆俊&北京理工姚莹Carbon Energy：化学教科书中Mg+CO2燃烧反应高效去除磷酸盐

Ying Yao, Lei Yu, Meiling Wang, Alvin Dai, Yan Zhang, Qiubo Guo, Yulin Lin, Jianguo Wen, Feng Wu, Xiulei Ji, Jun Lu.

Burning magnesium in carbon dioxide for highly effective phosphate removal.

Carbon Energy (2021).

DOI: 10.1002/cey2.62.

【研究背景】

近年来，对现代农业至关重要的各种洗涤剂、乳化剂和化肥产品的工业生产大大增加了磷的消耗量。因此，大量的磷污染物副产物进入生态系统，对人类健康和生态平衡造成许多负面的富营养化影响。此外，不可再生的全球磷储量非常有限，目前的消耗率可能只能在全球范围内持续50~100年。为了平衡现代社会消费需求和环境保护，迫切需要开发有效的分离方法，以促进废水中磷的回收。针对这一重要问题，最近的研究表明，通过将工程碳与生态友好的MgO相结合，可以显着提高磷酸盐去除能力（~100 mg/g）。然而，传统的Mg化合物在碳基体上的负载量仅达到了约最大Mg含量的20 wt%。因此，合成更高MgO含量的纳米杂化吸附剂是进一步提高除磷能力的关键。

基于此，阿贡国家实验室陆俊研究员&北京理工姚莹副研究员借助经典的基本化学教科书反应，在CO₂中燃烧金属镁(2 Mg + CO₂→C + 2 MgO)制备了MgO/C复合材料（Mg-CO₂）。该成果以“Burning magnesium in carbon dioxide for highly effective phosphate removal.”为题发表在期刊Carbon Energy上。

【本文亮点】

1、MgO的理论含量可达87 wt%。

2、以石墨烯层形式同时形成和沉积碳具有抑制MgO颗粒生长以维持在纳米尺度的能力。

3、高含量的纳米氧化镁与富含缺陷的碳层相结合，磷酸盐去除能力达到1135.0 mg/g（比目前最先进的去除率高一个数量级）和99%的去除率。

【图文解析】

Ⅰ、形貌及组分分析

图1. Mg-CO2在和磷酸盐去除过程之前(A, B)和之后(C, D)的扫描电子显微镜图像和相应的EDX光谱。

R 要点：

1、从SEM中看出，Mg-CO₂由不规则的立方体结构组成，具有锐利的棱角。

2、EDS光谱显示出极高的Mg和O峰，Mg:O的原子比为1:1.16，对应于MgO的化学计量。

Ⅱ、高分辨率结构表征

图2. (A）低分辨率TEM，(B)相应的SAED和(C)Mg-CO2复合材料的AC-HRTEM像。(D)(C)中黄色标记区域的放大HRTEM图像。(E)STEM-HAADF图像和来自Mg-CO2复合材料的(F) Mg、(G) O和(H) C的相应EDS映射。

要点：

1、块状Mg-CO₂相应的选区电子衍射显示出明确定义的多个同心环图案，表明样品呈现典型多晶特征。

2、从高分辨率透射电子显微镜可以明显看出，均匀的石墨烯层包含大小为10 nm的梯形氧化镁纳米颗粒，这说明碳层可以有效地限制纳米颗粒的共生。

3、碳层的破碎条纹意味着其富含缺陷的特性，与缺陷碳层结合的小尺寸纳米粒子可以为磷酸盐固定提供更多的活性位点。

Ⅲ、磷酸盐的吸附实验

图3. Mg-CO2复合材料上磷酸盐的吸附动力学(A)和等温线(B)数据和模型。共存阴离子(C)和溶液pH(D)对Mg-CO2吸附磷酸盐量的影响。

要点：

1、磷酸盐吸附能力与接触时间的函数表明，磷酸盐吸收取决于颗粒内表面扩散速率控制过程。

2、Mg-CO₂吸附等温线显示随着初始磷酸盐浓度的增加，磷酸盐吸附量急剧增加并逐渐达到饱和。Langmuir方程估计的Mg-CO₂对磷酸盐的最大吸附容量为1135.0 mg/g，该值比之前报道的其他吸附剂高出一个数量级。

3、共存阴离子对Mg-CO₂吸附磷酸盐的影响对实际应用非常重要。在Cl-和NO3-存在下，Mg-CO₂对磷酸盐吸附没有减少，而SO₄^2-和CO₃^2-存在时，磷酸盐吸附量则观察到轻微减少。这是因为二价阴离子的离子强度更大，这使得它们与单价阴离子相比对吸附位点更具竞争力。

4、溶液pH值范围从1到11对Mg-CO₂的吸附能力几乎没有影响，表明适合去除磷酸盐的pH值范围很广。相反，当pH值超过12时，磷酸盐去除量急剧下降，这是由于MgO的零点电荷（pHZPC）为12.5 ± 0.5。当溶液的pH值超过pHZPC时，带负电荷的吸附剂表面和磷酸根阴离子之间的静电排斥力的增加将导致磷酸根吸附程度降低。

Ⅳ、磷酸盐吸附机制分析

图4. 吸附后Mg-CO2复合材料的X射线衍射图(A)和XPS光谱(B)、Mg 2p (C)、P 2p (D)。

要点：

1、XRD结果表明吸附后的Mg-CO₂其复杂的成分包括新形成的Mg₃(PO₄)₂·10H₂O和MgHPO₄·0.78H₂O，以及剩余的MgO。

2、与XRD和SEM-EDS结果一致，Mg 2p和P 2p的光谱明显表明存在Mg₃(PO₄)₂和MgHPO₄。

Mg-CO₂增强磷酸盐吸附的机理可以解释如下：

（1）MgO(s)+H₂O(l)→MgOH+(surface)+OH⁻(aq)

（2）MgOH++HPO₄²⁻→MgHPO₄+OH⁻

（3）MgOH++PO₄³⁻→Mg₃(PO₄)₂+OH⁻

【结论与展望】

总之，本文凭借绿色化学合成的理念，设计并开发了一种高效MgO含量高的MgO/C杂化吸附剂，以解决环境废水中的磷酸盐去除问题。这种混合吸附实现了高达1135.0 mg/g的显着吸附容量，远优于当前最先进的吸附剂。各种表征表明，磷酸盐去除过程是通过MgO和碳层的协同作用进行的。此外，模拟吸附实验还阐明了吸附剂与共存的阴离子和溶液pH值具有良好的相容性。最终，本研究提出了一种可扩展的方法来生产用于在可持续发展的实际应用中去除磷酸盐的高效吸附剂。

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论文标题：

Burning magnesium in carbon dioxide for highly effective phosphate removal

论文网址：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/cey2.62

DOI:10.1002/cey2.62

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