电化学调控水钠锰矿氧化还原反应高效吸附Zn2+和Ni2+

　　因生物不可降解、高毒和致癌等特性，重金属污染威胁人类健康与生态环境。水钠锰矿具有电荷零点低、资源丰富和环境友好等特点而被广泛用作重金属离子吸附剂。氧化还原反应可改变锰氧化物的晶体结构、组成及表面性质，但其对重金属离子的吸附容量的影响尚不清楚。华中农业大学资源与环境学院土壤矿物与环境化学小组利用恒电流与恒电压方式调控氧化锰矿物化学组成高效吸附污染水体重金属离子。相关研究成果先后于2017年2月12日和2017年7月12日发表于《Environmental Science: Nano》和《Chemical Engineering Journal》。 

　　该研究组采用多周恒电流充放电方式，可显著提高水钠锰矿对重金属离子的吸附容量。水钠锰矿电化学对Zn²⁺的吸附容量随着pH的增加而增大，随着电极上活性水钠锰矿质量增加而降低。最大吸附容量高达530.0 mg g^-1，显著高于其等温吸附容量（56.1 mg g^-1）。在电化学吸附过程中，水钠锰矿中锰平均氧化度降低及溶解再结晶过程是电化学吸附容量高于等温吸附容量的主要原因。 

　　图 1 吸附Zn后电极Zn K边的EXAFS光谱LCF拟合及电化学吸附机理图。 

　　利用北京同步辐射装置（BSRF）X射线吸收谱技术对吸附Zn²⁺后的电极进行表征。通过Zn在K空间的EXAFS分析表明Zn主要吸附在水钠锰矿MnO₆八面体层空位上下方、嵌入水钠锰矿层间、形成Zn-布塞尔矿及以ZnMn₂O₄存在于电极上。该工作被《Environmental Science: Nano》以扉页封面文章形式进行了报道。 

　　为进一步论证上述电化学机理，进一步采用恒电位方法对上述机理进行了验证，并将水钠锰矿负载于碳纳米管上提高其吸附性能。锰氧化物含量为45.6%的HB/CNTs电极对Zn²⁺和Ni²⁺的去除容量最大分别为155.6 mg g^-1及158.4 mg g^-1。经过五周循环后，其对Zn²⁺的去除容量相对初始容量仅衰减9.4%。同步辐射结果表明，重金属离子在电化学还原过程中吸附到电极上。当前工作明确了氧化锰矿物电化学吸附重金属的氧化还原机理及其影响因素，并为去除水体中重金属离子提供了一种新方法。 

　　发表文章： 

　　Lihu Liu, Yao Luo, Wenfeng Tan, Fan Liu, Steven L. Suib, Yashan Zhang, and Guohong Qiu* Zinc removal from aqueous solution using a deionization pseudocapacitor with a high performance nanostructured birnessite electrode. Environmental Science: Nano 4(2017), 811–823.