第一作者：Weiquan Zhan
通讯作者：贾菲菲
通讯单位：武汉理工大学资源与环境工程学院
论文DOI：10.1021/acsnano.4c00691
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稀土元素的回收和重新利用已成为日益迫切的问题。来自武汉理工大学的贾菲菲教授团队通过氧掺杂二硫化钼(O掺杂MoS2)电极的强化化学吸附和电吸附过程，实现从水溶液中高效回收低浓度稀土。实验和理论结果证明，在MoS2中掺杂O不仅降低了转移电阻，提高了离子存储的电双层厚度，而且增强了稀土与MoS2的化学相互作用。氧化二硫化钼电极在120 min内实现了稀土的全脱附，且电极具有良好的循环性能。
研究背景
尽管回收稀土元素的方法多种多样，但传统方法存在很多缺点。因此，为了环境的可持续发展，探索一种有效的稀土资源回收方法是非常必要的。电吸附是在吸附过程中用电将吸附物和电化学结合在一起的过程。电解质与电极之间的相互作用是一种化学吸附和电吸附耦合(CEC)过程，有利于从溶液中去除或回收目标离子。基于硬、软酸碱理论， MoS2在吸附酸性金属离子方面表现优异。考虑到二硫化钼作为电极的电学性能，以及其丰富性和无毒性，研究其是否可以作为电极用于从水溶液中回收稀土是及时的。
图文导读
对不同合成温度下所得样品的晶体结构进行表征。与220℃的合成温度相比，较低的合成温度使所有峰展宽并向更小的角度移动，表明结晶度降低二硫化钼结晶度较低可能导致氧原子掺杂到结构中。XPS结果的Mo-O键比值证实，随着合成温度的降低，掺杂氧含量增加。O掺杂的MoS2的TEM图像和相应的元素映射图(图1j)证实了Mo、S和O元素的存在和均匀分布。
图1 O掺杂MoS2的材料表征
通过CEC工艺研究了o掺杂二硫化钼电极回收稀土元素的能力。掺杂的MoS2作为阴极和阳极的稀土回收率最大，其吸附容量为365.71 mg/(g dm2)，相应的回收率为91.43%。对La(III)回收后的O掺杂MoS2样品进行TEM和相关元素测绘，证实了Mo、S、O和La的均匀分布。
图2 O掺杂MoS2对La3+的电吸附性能测试
O原子掺入MoS2增强了对La(III)的回收，其最高吸附量和回收率分别是MoS2的1.45倍和2.25倍。通过对二硫化钼进行氧掺杂工程，可以有效地回收稀土元素，改善其电化学和化学性能。由于掺杂过量的氧原子会削弱离子吸附的比电容，因此降低了La(III)的回收率。上述结果表明，O掺杂的MoS2具有更好的离子存储双电层和更低的离子转移电阻。
图3 不同测试参数对电吸附性能的影响以及电化学性能
DFT结果证明La(III)和O掺杂MoS2之间的吸附能优于MoS2。随着氧原子数量的增加，吸附能增强，表明掺杂的O原子与La(III)具有较强的相互作用能力。在O掺杂的MoS2中，促进的相互作用是由于La(III)和O原子之间的相互作用。以上结果证明，氧原子的掺入会增强La(III)与MoS2的化学相互作用。
图4 DFT模拟结果
材料的重复利用是CEC工艺应用的关键。本文研究了用HCl和NH4Cl从o掺杂的MoS2中解吸La(III)。结果表明，HCl和NH4Cl可以有效地解吸o掺杂MoS2电极上的La(III)。在大约60分钟内，总解吸效率超过90%。在重复实验过程中，所有溶液中都有少量的样品掉落，导致回收率下降。
图5 吸附与解吸附循环测试
选择Gd(III)和Y(III)作为中重稀土元素，在掺杂O的MoS2电极上研究更多的回收行为。在初始浓度为5 mg/L时，Gd(III)和Y(III)的吸附量分别为176和170 mg/(g dm2)，相关回收率分别为95.6%和93.1%。随着初始浓度的增加，吸附容量和回收率下降，这是由于电双层中离子存储有限。
图6 O掺杂MoS2对Gd(III)和(g) Y(III) 的电吸附性能测试
总结与展望
综上所述，提出了一种基于O掺杂MoS2电极设计的低浓度水溶液中稀土元素的回收方法。详细研究了CEC过程的参数，包括pH、外加电压、电极间距离和初始浓度。除上述结果外，在120 min内，O掺杂的MoS2电极的脱附效率达到~100%，并且电极具有良好的稳定性。因此，本研究提出了一种从水溶液中回收稀土的工艺，可以为资源回收和环境应用提供一些启示。
文献链接：
https://doi.org/10.1021/acsnano.4c00691
2024-12-08
2024-12-07
2024-12-06
2024-12-05
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