功能化水滑石应用于重金属离子检测和吸附的研究进展
文章导读
重金属污染是目前最严重的环境问题之一，具有较高的生态毒性和健康风险，且难以治理。部分重金属离子与生物分子中的N、O和S原子结合力较强，即使在ppb浓度水平，仍能抑制生物功能甚至阻断生理过程。因此，开发高效的重金属检测方法及吸附材料具有重要意义。层状水滑石（Layered Double Hydroxides, LDHs）材料由于具有结构可设计、层板组成可调及比表面积大等特点，在重金属检测和吸附方面具有巨大的潜力。近年来，研究人员开发了一系列基于LDHs的重金属分析探针及吸附剂。为进一步提升LDHs材料的重金属分析检测和吸附性能，主要通过对其进行修饰或改性，制备比表面积大及重金属亲和力强的功能化LDHs材料。基于此，本文主要对近五年内的重金属分析和吸附LDHs基底材料、相关工作原理及其应用进行了综述。
论文首先介绍了LDHs的结构特征和功能化方法，包括表面修饰、插层化学、缺陷调控及形成纳米复合物等方式。其次，从比色分析、荧光分析、电化学分析和原子吸收光谱法（国家标准方法）等四个方面总结了基于LDHs的重金属传感器的最新进展，并讨论了分析物诱导信号变化的传感机制及原理。随后，以可逆吸附和不可逆矿化两种类型介绍了LDHs纳米吸附剂的工作原理及吸附性能。最后，讨论了LDHs在重金属离子传感和矿化应用中所面临的挑战和未来的发展趋势。
图文摘要
研究亮点
详细介绍了LDHs重金属传感器的最新进展，分析原理及性能提升策略。
将基于LDHs的重金属吸附过程分为可逆吸附和不可逆矿化两大类，并着重介绍超稳矿化对重金属吸附性能的影响。
提出并分析了LDHs基重金属传感器和纳米吸附剂面临的挑战和未来展望，包括特定重金属选择性富集、矿化多样性和矿化过程可视化等。
图文解读
1. 水滑石结构及不同功能化水滑石简介
LDHs是一类层状二维材料，具有带正电的金属氢氧化物层板和平衡电荷的插层阴离子，如图1A所示外层金属离子具有不饱和配位，需要与羟基辅助螯合。表面丰富的羟基通常使LDHs悬浮液呈碱性，并且可以通过表面改性、纳米复合材料、插层科学和缺陷工程等方法实现LDHs的功能化(图1B)。
图1. (a) LDHs结构示意图。(b) 四种LDHs功能化方式示意图。
2. 功能化LDHs应用于金属离子分析检测
LDHs表面丰富的羟基，以及多种层间阴离子，使得LDHs成为构建高效重金属离子传感器的理想材料。针对重金属离子的检测，以比色法(图2a)、荧光法(图2b)、电化学法(图2c)和原子吸收光谱法为例介绍了基于LDHs的传感系统。
图2. 不同分析原理的LDHs传感系统示例，从a到c分别为：比色法，荧光法和电化学法
3. 基于LDHs纳米吸附剂的重金属移除研究
使用不同的LDHs纳米吸附剂对重金属离子的吸附机理并不完全相同。通过比较，它们主要通过两种方式移除重金属离子：可逆吸附和不可逆矿化，如图3所示。前者主要是将重金属吸附在LDHs表面或层间，后者则是通过离子交换将重金属离子固定到层板上，形成新的LDHs。相比而言，不可逆矿化比可逆吸附更有效，能达到超稳矿化的目的。
图3. 基于可逆吸附（a）和不可逆矿化（b）移除重金属的原理示意图
总结与展望
尽管基于LDHs的高效纳米传感器和纳米吸收剂在重金属离子的检测和移除方面已经取得了成功，但这一研究领域仍存在一些挑战。特别是基于LDHs的吸附应用，仍然存在一些限制，需要在未来解决，主要包括：1、特定重金属离子的选择性预富集；2、矿化多样性机制不明确；3、缺乏矿化过程的直接可视化；4、探究重金属原子轨道与同晶取代中心的结构相关性，建立LDHs结构-重金属矿化的物理化学模型。
撰稿：原文作者
排版：ICM编辑部
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https://doi.org/10.1039/D2IM00024E
本文内容来自郑州大学/北京化工大学吕超教授、袁智勤副教授团队发表在Industrial Chemistry & Materials的文章：Recent advances in the detection and removal of heavy metal ions using functionalized layered double hydroxides: a review
作者简介
通讯作者
吕超，郑州大学/北京化工大学教授、博导。国家高层次人才称号获得者，教育部“长江学者奖励计划”特聘教授，英国皇家化学会会士，Industrial Chemistry & Materials副主编、Analytical Methods (RSC)副主编，并任Trends in Analytical Chemistry、中国化学快报等期刊编委。主要研究方向包括材料结构光谱表征新方法、纳米材料化学发光分析方法及复合材料早期老化荧光检测及其寿命预测。主持国家自然科学基金重大基金、面上基金及国家973计划子课题等项目近10项，以通讯作者在Angew. Chem. Int. Ed.、Nat. Commun.、Sci. Adv.、ACS Cent. Sci.、Chem. Sci.、Anal. Chem.等期刊发表论文100余篇。获批中国石油和化学工业联合会团体标准1项和企业标准3项。获得2015年高等学校自然科学二等奖、2012和2020年中国分析测试协会科学技术一等奖等。
通讯作者
袁智勤，北京化工大学化学学院副教授、硕士生导师。2008年毕业于湖南大学化学系，获得学士学位。2013年获得湖南大学分析化学博士学位。2013.9-2015.6在台湾大学化学系从事博士后研究。自2015年起加入北京化工大学化学学院分析化学系。已获得国家自然科学基金面上项目、青年基金，以及北京市自然科学基金面上项目等多项课题资助。近年来在Analytical Chemistry, Chemical Communications, Trends in Analytical Chemistry等国际知名学术期刊发表SCI论文60余篇，论文总引用超过2000次，现担任Journal of Analysis and Testing期刊青年编委、Molecules和Current Pharmaceutical Design期刊客座编辑。目前主要从事荧光金属纳米簇、碳量子点和水凝胶材料的分析化学、物理化学及表面性质研究。
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期刊简介
Industrial Chemistry & Materials (ICM) 是中国科学院主管，中科院过程工程研究所主办，英国皇家化学会（RSC）全球出版发行的Open Access英文期刊，由中科院过程工程研究所张锁江院士担任主编。ICM 以化学、化工、材料为学科基础，以交叉为特色，以应用为导向，重点关注工业过程中化学问题、高端材料创制中过程科学的国际前沿和重大技术突破，致力于打造国际学术交流平台，成为具有重大国际影响力、引领工业化学与材料学科发展的国际一流期刊。ICM 现已开通全球投稿，目前对读者作者双向免费，欢迎广大科研工作者积极投稿、阅读和分享！
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