西北农林科技大学王建龙教授团队：仿生神经元吸附网络用于重金属捕获和电化学介导回收

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电化学技术用于重金属污染物治理得到了越来越多的关注，该过程主要通过电化学介导的可逆吸附实现了反应平台的高效循环利用。对于重金属离子吸附电极的设计，自然生物系统中的神经元提供了理想结构。作为生物体信号传导单元，电信号通过神经元网络结构进行高效传导，神经元单元中的树突结构通过增加表面积以促进吸收化学神经递质（离子）以进行信息处理传输。
西北农林科技大学王建龙教授课题组受此传递模式的启发，从微观结构角度设计类神经元结构重金属吸附电极，并在《ACS Applied Materials & Interfaces》上发表了“Bioinspired Neuron-like Adsorptive Networks for Heavy Metal Capture and Tunable Electrochemically Mediated Recovery”的文章(DOI: 10.1021/acsami.1c12955)。本研究得到国家自然科学基金(21675127)和陕西省杰出青年科学基金(2018JC-011)的支持。西北农林科技大学王靖博士为论文第一作者，王建龙教授为通讯作者。
该研究通过将一维钾锰矿纳米线交织到聚苯胺修饰的空心金属有机框架中成功构建类神经吸附网络，通过不同单元之间的协同整合实现了对重金属阳离子 (Pb²⁺) 和氧阴离子 (Cr₂O₇^2-) 的良好吸附，并可通过电化学介导实现重金属离子的可控解吸。一方面，在该仿生结构中，树突状的聚苯胺可以有效地提高MOFs的导电性并增强界面处的法拉第过程，同时结合MOFs内部的双电层现象和聚苯胺的氧化还原反应优势。另一方面，轴突状的纳米线形成类似神经系统的网络结构，促进电化学反应效率。模拟和计算结果表明，中空MOFs结构中的曲率诱导极化效应也有利于提高电极-电解质界面处的解吸效率。该研究也进一步为新型重金属吸附剂的设计开发提供理论基础和试验思路。 
示意图1. 仿生策略示意图 
图1. 类神经元结构电吸附剂的形貌和成分表征。(a) 合成过程示意图；(b-d)不同结构SEM图像；(e) STEM；(f) XRD；(g) FT-IR；(h) Co 2p光谱。
 
图2. 类神经元结构电吸附剂的电化学表征。(a) 类神经元结构中电子传导和电解质扩散示意图；(b) (c)和(d) 不同组成的TEM 图像；(e) 不同组分的循环伏安曲线；(f) 不同扫速下的类神经元结构电吸附剂循环伏安曲线；不同组分(g) 电化学阻抗谱图和(h) 比电容。 
图3. 类神经元结构电吸附剂的重金属离子吸附性能和吸附机理。Pb²⁺和Cr₂O₇²⁻的(a)(c) 吸附等温线和(b) (d) 拟合朗缪尔等温线模型；(e) 吸附机理示意图；(f) N 1s和(g) O 1s光谱。  
图4. 类神经元结构电吸附剂的解吸性能和解吸机制。(a) 反应装置示意图；(b) 电极表面电解质离子分布示意图；(c) 表面氧化还原反应控制重金属离子解吸示意图；(d) 不同电位下重金属离子解吸效率；(e) 不同组分解吸效率比较；(f) 不同循环次数下重金属离子吸附性能。
 
图5. 类神经元结构电吸附剂有限元模拟和DFT计算分析。(a) 细胞膜内外通过控制Na⁺ /K⁺的跨膜平衡来维持极化和去极化状态，并产生兴奋/抑制效应；(b) 空心球结构中曲率诱导的去极化效应示意图；（c）聚苯胺和钾锰矿的氧化还原反应；(d) 共离子 (K⁺)和反离子 (Cl⁻)在1.0 V电位下的有限元模拟图；虚线框中为空心球内外K⁺和Cl^- 的浓度变化示意图。 

作者简介

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王建龙，男，1979年生，博士，教授，西北农林科技大学博士生导师，2019年荣获国务院政府特殊津贴，2019年入选陕西省创新人才推进计划中青年科技创新领军人才，2018年荣获陕西省杰出青年基金资助，2013年入选教育部新世纪优秀人才，2012年度陕西省青年科技新星，2017年度入选英国皇家化学会『Top 1%高被引中国作者』榜单。
主要研究方向（1） 食品安全因子快速识别与控制；（2） 食品因子抗体筛选、生物传感器开发；（3） 纳米技术在食品科学中的应用；课题组链接：https://www.x-mol.com/groups/wang_jianlong 

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https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.1c12955

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