NiCo普鲁士蓝类似物中空纳米泡的制备及其Cs+吸附性能研究

doi:10.19964/j.issn.1006-4990.2023-0549

无机盐工业 ›› 2024, Vol. 56 ›› Issue (10): 55-63.doi: 10.19964/j.issn.1006-4990.2023-0549

NiCo普鲁士蓝类似物中空纳米泡的制备及其Cs⁺吸附性能研究

王航宇¹^,²(), 杜以法³, 郭霞⁴, 那钰萱⁴, 万玛措⁴, 周永全¹()

^1.中国科学院青海盐湖研究所, 中国科学院盐湖资源综合高效利用重点实验室, 青海西宁 810008
^2.中国科学院大学, 北京 100049
^3.临沂大学化学与化工学院, 山东临沂 276300
^4.青海师范大学化学化工学院, 青海西宁 810008

收稿日期:2023-11-18 出版日期:2024-10-10 发布日期:2024-11-05
通讯作者: 周永全（1980— ），男，研究员，研究方向为溶液化学，溶液结构，盐湖资源分离；E-mail：yongqzhou@163.com。
作者简介:王航宇（1996— ），男，硕士，研究方向为盐湖稀有元素分离提取；E-mail：wanghangyu21@mails.ucas.ac.cn。
基金资助:
中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划子课题(YSBR-039);青海盐湖所基础研究青年创新交叉团队基金项目(E255HX0101)

Study on preparation of NiCo Prussian blue analogue hollow nanobubbles and their Cs⁺ adsorption properties

WANG Hangyu¹^,²(), DU Yifa³, GUO Xia⁴, NA Yuxuan⁴, WAN Macuo⁴, ZHOU Yongquan¹()

^1.Key Laboratory of Comprehensive and Highly Efficient Utilization of Salt Lake Resources，Qinghai Institute of Salt Lakes，Chinese Academy of Sciences，Xining 810008，China
^2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China
^3.School of Chemistry and Chemical Engineering，Linyi University，Linyi 276300，China
^4.Qinghai Normal University，College of Chemistry and Chemical Engineering，Xining 810008，China

Received:2023-11-18 Published:2024-10-10 Online:2024-11-05

摘要/Abstract

摘要：

铯离子（Cs⁺）的高效分离在资源利用和生态安全上都具有重要意义。开发具有高容量和高选择性的Cs⁺吸附剂是一项具有挑战性的任务。以棱柱状四方乙酸钴镍前驱体为模板，采用自模板法绿色高效地成功合成了用于有效去除Cs⁺的NiCo-PBA中空纳米泡吸附剂（NiCo-PBA HNB）。通过傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR）、X射线衍射仪（XRD）、透射电子显微镜（TEM）和能谱仪（EDS）等对NiCo-PBA HNB进行了表征。实验结果表明：NiCo-PBA HNB具有高比表面积（195.09 m²/g）和介孔（10.21 nm）分布。得益于其独特的纳米结构和孔特性，NiCo-PBA HNB能够在30 min内达到吸附平衡，其最大吸附容量可达317.59 mg/g，吸附过程符合准二级动力学模型。即使在高浓度K⁺（0.1 mol/L）共存的情况下，分布系数（8.82×10³ mL/g）仍保持在较高水平。此外，NiCo-PBA HNB的吸附机理主要为晶体内的K⁺与溶液中的Cs⁺的离子交换。

关键词: 自模板法, 镍钴普鲁士蓝类似物, 中空泡结构, 铯吸附剂

Abstract:

The efficient separation of cesium ions（Cs⁺） is significant in resource utilization and ecological security.Developing an adsorbent for Cs⁺ with high capacity and selectivity is challenging.In this work，nickel cobalt Prussian blue analog （NiCo-PBA） hollow nanobubble adsorbent（NiCo-PBA HNB） was successfully synthesized using a prism⁃shaped tetragonal cobalt nickel acetate precursor as a template using a self⁃template method to remove cesium ions（Cs⁺） from aqueous solutions effectively.The NiCo-PBA HNB was characterized by Fourier transform infrared spectroscopy（FT-IR），X-ray diffraction（XRD），transmission electron microscopy（TEM），and energy dispersive spectroscopy（EDS）.NiCo-PBA HNB had a high specific surface area（195.09 m²/g） and a uniform mesoporous structure（10.21 nm）.Thanks to its unique nanostructure and pore characteristics，NiCo-PBA HNB could reach adsorption equilibrium within 30 minutes，with a maximum adsorption capacity of 317.59 mg/g，and the adsorption process conformed to a quasi⁃second⁃order kinetic model.Even in high concentrations of K⁺（0.1 mol/L），the distribution coefficient（8.82×10³ mL/g） remained at a high level.In addition，the adsorption mechanism of NiCo-PBA HNB mainly involved ion exchange between K⁺ in the crystal and Cs⁺ in the solution.

Key words: self template method, nickel cobalt prussian blue analogue, hollow bubble structure, cesium adsorbent

中图分类号:

TQ131.15

王航宇, 杜以法, 郭霞, 那钰萱, 万玛措, 周永全. NiCo普鲁士蓝类似物中空纳米泡的制备及其Cs⁺吸附性能研究[J]. 无机盐工业, 2024, 56(10): 55-63.

WANG Hangyu, DU Yifa, GUO Xia, NA Yuxuan, WAN Macuo, ZHOU Yongquan. Study on preparation of NiCo Prussian blue analogue hollow nanobubbles and their Cs⁺ adsorption properties[J]. Inorganic Chemicals Industry, 2024, 56(10): 55-63.

图/表 16

图1

图2

图3

图4

图5

表1

图6

表2

表3

图7

图8

图9

图10

图11

图12

表4

本文的吸附剂与文献报道吸附剂吸附容量的比较

样品

$q m$ /

（mg·g^-1）

样品

$q m$ /

（mg·g^-1）

KATS-2^［29］

359

5KCuFC/M-MT^［31］

204.48

ZHF^［30］

190.5

K@GaSnS-1^［32］

249.3

PBA_Cu^［25］

97.78

NiCo-PBA HNB

317.59

表4

参考文献 32

1	CHEN Shangqing， DONG Yanan， WANG Honghong，et al.Highly efficient and selective cesium recovery from natural brine resources using mesoporous Prussian blue analogs synthesized by ionic liquid-assisted strategy［J］.Resources，Conservation and Recycling，2022，186：106542.
2	CHEN Shangqing， HU Jiayin， HAN Senjian，et al.A review on emerging composite materials for cesium adsorption and environmental remediation on the latest decade［J］.Separation and Purification Technology，2020，251：117340.
3	ALBY D， CHARNAY C， HERAN M，et al.Recent developments in nanostructured inorganic materials for sorption of cesium and strontium：Synthesis and shaping，sorption capacity，mechanisms，and selectivity：A review［J］.Journal of Hazardous Materials，2018，344：511-530.
4	姚初清，戴耀东，罗威，等.一维普鲁士蓝/硅藻土复合材料对Cs⁺的吸附［J］.核化学与放射化学，2020，42（2）：121-128.
	YAO Chuqing， DAI Yaodong， LUO Wei，et al.Adsorption of Cs⁺ on one⁃dimensional Prussian blue/diatomite［J］.Journal of Nuclear and Radiochemistry，2020，42（2）：121-128.
5	ABDEL RAHMAN R O， IBRAHIUM H A， HUNG Y T.Liquid radioactive wastes treatment：A review［J］.Water，2011，3（2）：551- 565.
6	WANG Jianlong， ZHUANG Shuting.Removal of cesium ions from aqueous solutions using various separation technologies［J］.Reviews in Environmental Science and Bio/Technology，2019，18（2）：231-269.
7	ZHANG Ruihong， AI Yuejie， LU Zhanhui.Application of multifunctional layered double hydroxides for removing environmental pollutants：Recent experimental and theoretical progress［J］.Journal of Environmental Chemical Engineering，2020，8（4）：103908.
8	郭雪琴，邓小川，朱朝梁，等.改性硅藻土负载磷钼酸铵复合吸附剂的制备及其吸附Cs⁺研究［J］.无机盐工业，2023，55（11）：19-26，36.
	GUO Xueqin， DENG Xiaochuan， ZHU Chaoliang，et al.Study on preparation of modified diatomite loaded ammonium phosphomolybdate composite adsorbent and its adsorption performance ofCs⁺ ［J］.Inorganic Chemicals Industry，2023，55（11）：19-26，36.
9	FIGUEIREDO B R， CARDOSO S P， PORTUGAL I，et al.Inorganic ion exchangers for cesium removal from radioactive wastewater［J］.Separation & Purification Reviews，2018，47（4）：306-336.
10	BIKASH BARUAH J.Coordination polymers in adsorptive remediation of environmental contaminants［J］.Coordination Chemistry Reviews，2022，470：214694.
11	YANG Hongjun， YU Hongwen， SUN Jingkuan，et al.Facile synthesis of mesoporous magnetic AMP polyhedric composites for rapid and highly efficient separation of Cs⁺ from water［J］.Chemical Engineering Journal，2017，317：533-543.
12	KRAFT A.Some considerations on the structure，composition，and properties of Prussian blue：A contribution to the current discussion［J］.Ionics，2021，27（6）：2289-2305.
13	WU Xinyue， RU Yue， BAI Yang，et al.PBA composites and their derivatives in energy and environmental applications［J］.Coordination Chemistry Reviews，2022，451：214260.
14	刘霂宇，邱杨率，张凌燕.膨胀石墨负载铁氰化铜吸附Cs⁺特性研究［J］.环境污染与防治，2023，45（11）：1554-1558.
	LIU Muyu， QIU Yangshuai， ZHANG Lingyan.Adsorption characteristics of Cs⁺ by expanded graphite loaded with copper ferricyanide［J］.Environmental Pollution & Control，2023，45（11）：1554-1558.
15	BOSTRÖM H L B， COLLINGS I E， CAIRNS A B，et al.High⁃pressure behaviour of Prussian blue analogues：Interplay of hydration，Jahn-Teller distortions and vacancies［J］.Dalton Transactions，2019，48（5）：1647-1655.
16	ZENG Yinxiang， LU Xuefeng， ZHANG Songlin，et al.Construction of Co-Mn Prussian blue analog hollow spheres for efficient aqueous Zn-ion batteries［J］.Angewandte Chemie，2021，60（41）：22189-22194.
17	MORITOMO Y， URASE S， SHIBATA T.Enhanced battery performance in manganese hexacyanoferrate by partial substitution［J］.Electrochimica Acta，2016，210：963-969.
18	YIN Xuemin， LI Hejun， WANG Haiqi，et al.Self⁃templating synthesis of cobalt hexacyanoferrate hollow structures with superior performance for Na-ion hybrid supercapacitors［J］.ACS Applied Materials & Interfaces，2018，10（35）：29496-29504.
19	GUAN Guoxiang， HUANG Jie， CHEN Ming，et al.WS₂-doped CuCo₂S₄ hollow nano⁃prisms as high⁃efficiency Pt-free bifunctional electrocatalysts for dye⁃sensitized solar cell and acid hydrogen evolution reaction［J］.Applied Surface Science，2022，599：153989.
20	YU Le， ZHANG Lei， WU Haobin，et al.Formation of Ni _x Co_3- _x S₄ hollow nanoprisms with enhanced pseudocapacitive properties［J］.Angewandte Chemie，2014，53（14）：3711-3714.
21	DU Wei， LIU Rongmei， JIANG Yuanwen，et al.Facile synthesis of hollow Co₃O₄ boxes for high capacity supercapacitor［J］.Journal of Power Sources，2013，227：101-105.
22	CHEN Shangqing， YANG Xiaonan， WANG Zheng，et al.Prussian blue analogs⁃based layered double hydroxides for highly efficient Cs⁺ removal from wastewater［J］.Journal of Hazardous Materials，2021，410：124608.
23	YANG H M， PARK C W， KIM I，et al.Hollow flower⁃like titanium ferrocyanide structure for the highly efficient removal of radioactive cesium from water［J］.Chemical Engineering Journal，2020，392：123713.
24	GAO Chao， HE Jiaying， HAN Senjian，et al.A highly efficient metal ferrocyanide adsorbent based on zinc phytate for cesium removal［J］.Applied Surface Science，2023，614：156231.
25	HAN Weixing， HUANG Ying， SU Minhua，et al.Highly selective adsorption and lattice process of cesium by cubic cyanide⁃based functional materials［J］.Environmental Research，2022，214：114085.
26	JIANG Chuanyang， NI Jiahui， JIN Guanping.Magnetic potassium cobalt hexacyanoferrate nanocomposites for efficient adsorption of rubidium in solution［J］.Separation and Purification Technology，2022，296：121383.
27	郭雪琴，邓小川，朱朝梁，等.改性硅藻土负载亚铁氰化铜复合物的制备及其对Cs⁺的吸附性能［J］.无机化学学报，2023，39（5）：815-829.
	GUO Xueqin， DENG Xiaochuan， ZHU Chaoliang，et al.Preparation and adsorption properties for Cs⁺ of modified diatomite⁃supported copper hexacyanoferrate composite［J］.Chinese Journal of Inorganic Chemistry，2023，39（5）：815-829.
28	ZHANG Tongrui， HUANG Haifu， HAN Junxing，et al.Manganese⁃doped hollow layered double（Ni，Co） hydroxide microcuboids as an efficient electrocatalyst for the oxygen evolution reaction［J］.ChemElectroChem，2020，7（18）：3852-3858.
29	YANG Chenyang， CHO K.Rapid and selective removal of Cs⁺ from water by layered potassium antimony thiostannate［J］.Journal of Hazardous Materials，2021，403：124105.
30	TRUNG N D， PING Ning， LAN L T H，et al.Synthesis，characterization，and caesium adsorbent application of trigonal zinc hexacyanoferrate（Ⅱ） nanoparticles［J］.Journal of Environmental Che⁃ mical Engineering，2021，9（6）：106772.
31	ZHANG Lihong， LI Yun， LIN Nana，et al.Significantly enhanced alkaline stability and cyanide suppression of Prussian blue analogues using montmorillonite for high⁃performance cesium remo⁃val［J］.Separation and Purification Technology，2023，325：124662.
32	YAN Jie， ZHANG Bo， LI Jun，et al.Rapid and selective uptake of radioactive cesium from water by a microporous zeolitic⁃like sulfide［J］.Inorganic Chemistry，2023，62（32）：12843-12850.

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