江苏大学李浩/潘建明团队ACS Sustain Chem Eng：Yolk-Shell离子印迹磁介孔纳米机器人捕获金并净化水质

近日，江苏大学李浩教授和潘建明教授在期刊 ACS Sustainable Chemistry & Engineering 上发表了题为《 Rapid and Selective Gold Stripping from Electronic Waste with Yolk-Shell Structured Ion-Imprinted Magnetic Mesoporous Nanorobot for Efficient Water Decontamination 》的研究论文（ DOI: 10.1021/acssuschemeng.3c02969 ）。本 研究评估了一种 Yolk-Shell 结构离子印迹磁性介孔纳米机器人（ MMNR-IIP-YS ）快速、选择性捕获电子废物浸出液中金的能力，以及其用于水体中有机染料的净化处理。研究发现，室温下 MMNR-IIP-YS 对金的吸附容量为 65.01 mg g ^-1 ，是非印迹材料的 2.69 倍，具有较快的吸附速率、优异的选择性和良好的再生性能。此外，建立的可持续处理电子废物的闭环微型工厂显示， MMNR-IIP-YS 能够从实际电子废物浸出液中提取 98.51% 的金，并对有毒的有机物和染料表现出高效的降解效率。这些研究发现有望应用于电子废物的工业规模处理，并为未来可持续废物利用系统的开发提供新的蓝图 。

引言

随着科技的发展，电子废弃物（ e-waste ）已成为全球城市环境中增长最快的生活垃圾流之一。一方面，电子废弃物中的有毒添加剂或有害物质，如重金属和卤代有机污染物，不仅会破坏生态环境，而且会对人体健康造成危害。另一方面，大多数的电子设备富含贵金属元素，尤其是黄金。因此，从电子废弃物中回收黄金正成为一种潜在的提金策略，这不仅有利于环境和全球循环经济，也是解决黄金供应链瓶颈的一项关键举措。吸附分离技术因其操作简便、成本低、效率高和绿色工艺而被认为是一种可行的提取痕量金属的策略。尽管研究者已经开发了多种金吸附剂，但其中一些吸附剂的合成过程较繁琐、成本高、选择性差且动力学缓慢，严重阻碍了它们的实际应用前景。近来，江苏大学李浩教授小组围绕趋磁细菌启发的磁性纳米机器人分别实现了电子废弃物中金（ Green. Chem. 2022, 24, 7592-7601 ）和钯（ Sep. Purifi. Technol. 2023, 315, 123536 ； J. Hazard. Mater. 2023, 441, 129917 ）的高效选择性捕获，利用磁性纳米机器人的自混合属性强化了混合过程，加快了传质速率和吸附动力学，解决吸附分离能耗高、传质慢的问题；并通过构筑多级孔结构的磁性纳米机器人增大了比表面积，提升了功能性识别位点负载能力，解决了吸附材料吸附容量低的问题。但电子废弃物浸出液复杂的离子环境，使得高效选择性提取贵金属面临着巨大挑战。为了解决选择性的问题，最近团队结合离子印迹策略制备了一种 Yolk-Shell 结构的离子印迹磁性介孔纳米机器人（ MMNR-IIP-YS ），并用于高效捕获电子废物中的金，实现了水体中有机污染物的净化治理。此外，通过建立电子废物处理闭环微型工厂捕获电子废弃物的贵金属，来净化水质，实现了废弃资源的 " 变废为宝 " 和 " 以废治废 " ，为电子废物的可持续利用和环境修复提供了双赢策略 。

图文导读

图 2 MMNR-IIP-YS 的表征

作者通过磁场辅助凝胶 - 溶胶法、表面离子印迹和化学刻蚀制备 MMNR-IIP-YS （图 1 ）。通过调控刻蚀时间能够对结合位点的暴露程度进行精细控制，同时也为离子的快速转移提供通道。此外，磁性棒状结构的稳定存在，不仅能通过磁铁快速分离减少吸附剂的损失，还能在旋转磁场中自搅拌显著促进吸附过程的传质和效率 。

如图 3a 所示，两种材料的最佳吸附 pH 均为 3 。如图 3b 所示， MMNR-IIP-YS 表现出快速的 Au （ III ）吸附动力学，前 10 min 金离子被快速吸附，然后在 15 min 开始趋于平稳， 20 min 后达到饱和吸附容量 (65 mg g ^-1 ) 。当温度升高时，材料的吸附容量也随之提高（图 3c ），说明该吸附过程是吸热过程。此外， MMNR-IIP-YS 在 10~200 mg g ^-1 （ pH=3 ）的浓度下所得的吸附等温线 ( 图 3d) ，在初始阶段陡峭上升，表明材料与 Au （ III ）之间具有很强的亲和力，随后逐渐趋于平稳，吸收数据符合 Langmuir 模型。在测试的最高 Au （ III ）浓度 (200 ppm) 下，平衡吸附容量为 70.33 mg g ^-1 。同时，该材料还具有优异的 Au （ III ）选择性（图 3e ），选择性系数在 332 以上，相对选择性系数在 8 以上。此外， MMNR-IIP-YS 具有出色的重复使用性和高稳定性，经过六次再生循环后， MMNR-IIP-YS 的捕获率仍保持在 90% 以上（图 3f ）。为了证明所制备的吸附剂在实际应用中的可行性，使用 MMNR-IIP-YS 从实际电路板浸出液中捕获 Au （ III ）。结果表明， MMNR-IIP-YS 对金的捕获率超过 98.51% ，而对大多数其他金属离子的捕获几乎可以忽略不计，展示了 MMNR-IIP-YS 从实际电子废物浸出液中选择性捕获 Au （ III ）的巨大潜力 。

鉴于金纳米颗粒和纳米棒在各种合成反应中被广泛用作催化剂和载体，我们尝试将吸附 Au （ III ）后的废吸附剂（ MMNR-IIP-YS-Au ）用作异相催化剂，以达到以废治废的效果。在此，选择 4- 硝基苯酚（ 4-NP ）、亚甲基蓝（ MB ）和甲基橙（ MO ）的降解为反应模型来评估 MMNR-IIP-YS-Au 的催化性能。如图 4a-e 所示， MMNR-IIP-YS-Au 具有优异的催化性能， 4-NP 、 MB 和 MO 的降解速率常数 k 分别为 0.21 min ^-1 、 0.25 min ^-1 和 0.42 min ^-1 。值得注意的是， MMNR-IIP-YS-Au 在五个催化循环后仍保持较高的催化活性和转化效率（图 4f ）。这些结果真正实现了电子废弃物中贵金属的回收和再利用 。

为了展示电子废物的可持续处理，我们建立了一个可用于实际应用的闭环微型工厂系统（图 5a ）。该系统由四个单元组成：（ i ）吸附单元， MMNR-IIP-YS 可选择性地从恶劣的废水条件中捕获 Au （ III ）；（ ii ）解吸单元， MMNR-IIP-YS-Au 通过酸性硫脲溶液解吸 ; （ iii ）再生单元，用去离子水冲洗 MMNR-IIP-YS ，以进行新的吸附循环；（ iv ）降解单元，在 MMNR-IIP-YS-Au 的催化作用下，降解有毒有机物或染料。由于 MMNR-IIP-YS 的磁性响应，它们可以加快吸附和降解单元的速度，并很容易被单元下的磁铁收集，并通过相互连接的桥在单元之间转移。在该系统中， MMNR-IIP-YS 可在 30 min 内从电子废物浸出液中捕获 98% 以上的金，并在六个循环中保持 90% 以上的吸附效率（图 5b ）。再生后， MMNR-IIP-YS-Au 对三种有机物的降解效率仍保持在 90% 以上（图 5c ）。有趣的是，该系统可以通过电磁铁将 MMNR-IIP-YS 从一个单元转移到另一个单元，实现编程自动化控制系统以促进回收过程 。