【文献解读】ACS Sustain. Chem. Eng. 介孔二氧化硅上定制的疏水/亲水木质素涂层用于钴（Ⅱ）循环利用

背景介绍

自上世纪90年代以来，锂离子电池在手机，笔记本电脑，电动汽车中的广泛应用，使其成为现代社会的基石。迄今为止，钴一直是锂离子电池阴极中关键材料。此外，钴还用作催化剂及各种钢和合金，使得钴金属需求量以日剧增。尽管已经有基于化学法分离回收锂离子电池阴极材料的利用方法，但新型且可持续的钴回收方法仍然引起人们的极大兴趣。生物吸附剂以其低成本、高效率的吸附水溶液中重金属离子的特性引起了人们的广泛关注。作为木质纤维原料中的重要组成部分，木质素是一种有前途的生物吸附材料。

工业木质素作为制浆造纸行业的副产物，每年产生将近50万吨，必须对其进行高值化利用。木质素是高度复杂且不规则的大分子，具有大量的酚羟基和羧基，因此能够脱质子以吸附不同重金属离子（如铜（Ⅱ）或 铅），但吸附钴（Ⅱ）的研究较少。Adam Slabon 教授课题组开发了一种涂覆疏水/亲水木质素涂层的介孔二氧化硅，用于钴（Ⅱ）的吸附回收，研究了木质素的定制功能和理化结构对去除钴（II）性能的影响，并进行了详细的吸附/解吸研究，以探究不同参数（例如pH值，时间，温度，金属离子浓度和洗脱液）对解吸的影响。

图文解读

吸附剂的合成过程可表述为，木质素与环氧氯丙烷在二氧化硅表面交联沉积。羟基的交联过程通过苯氧基离子与环氧基开环反应以及氯醇苯醚脱去氯化氢而生成苯基缩水甘油醚而发生。通过醚和木质素的羟基基团之间的连续反应在介孔二氧化硅表面形成交联的木质素层。热分析显示，木质素/二氧化硅复合吸附材料的热稳定性介于二氧化硅和木质素之间。通过900℃时复合材料的质量损失计算出复合吸附剂材料LS-SiO₂ 和KL-SiO₂上固着的木质素量分别为17和37 mg。氮吸附（BET）显示复合吸附材料保留了介孔二氧化硅的高比表面积（240-266 m²/g），这表明木质素涂层模拟了初始二氧化硅的质地特征，而没有堵塞原始的孔。通过SEM可观察到木质素均匀的沉积在介孔二氧化硅表面。因此，所制备的木质素/二氧化硅复合吸附材料保持了初始二氧化硅的多孔性和热学特性，由于木质素沉积层而表现出对金属离子的吸附特性。

通过研究pH对吸附行为的影响发现，木质素/二氧化硅复合吸附材料均显示出随pH的升高而增加的吸附能力，在pH为8时表现出最佳的吸附性能。这是由于金属离子和质子之间对木质素表面的酚，羧基和磺酸基官能团的竞争所致。由于复合材料高表面积上可用的大量配位面，金属离子在其表面快速吸附，在几分钟之内就可以吸附大量的钴（II）。钴（II）离子在木质素/二氧化硅复合吸附材料表面的吸附动力学符合准二级动力学模型。解吸实验显示，由于解吸过程中木质素的溶出，在一次循环后，木质素/二氧化硅复合材料表现出低的解吸效率。尽管低的解吸率不利于其商业应用，而其快速，低成本的制备工艺，使得木质素/二氧化硅复合材料能够被视为一种可行的钴（II）循环回用吸附剂。

总结

Adam Slabon 教授课题组成功开发出一种在介孔二氧化硅表面涂覆木质素策略而合成的钴（II）吸附剂。分别采用疏水性的硫酸盐法木质素和亲水性的木质素磺酸盐对介孔二氧化硅表面进行功能化改性。所提出的一步策略能够将木质素薄层快速且有效的固定在二氧化硅表面，从而达到在较少的木质素负载情况下，实现钴（II）的有效吸附回收。

原文链接

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acssuschemeng.0c05696

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