利用电镀污泥实现废物高值利用—制备高容量、超稳定性能Sn@C锂电负极材料
团队使用廉价，易得的细菌吸附电镀锡渣中有价值锡，以细菌为模板通过高温碳化，最终制备高性能的锂电负极材料。在1A/g的电流密度下，该新型电极材料不仅展现出~560 mAh/g的可逆放电比容量，即使1500次循环后其比容量也基本没有衰减，而且还具有优异的倍率特性，当电流密度增加到5 A/g时，仍然可以保持380 mAh/g的容量。这些长循环寿命及高倍率充放电优异的性能主要基于三个独特的性质：（1）纳米尺寸的Sn颗粒（~10 nm）; （2）纳米Sn颗粒在碳基质中的均匀分布; （3）氮和磷共参杂的碳基材质，有利于电子和离子快速传递。上述特征可以显着降低锡体积膨胀引起机械应力和在充电/放电期间防止Sn纳米颗粒的聚集，这将极大地改善电化学Sn@C材料的性能。这项研究为设计制备新型二次电池负极材料提供了新思路，为综合处理环境废弃物和实现废弃物的高值化利用指出了新方向。相关论文发表在纳米材料的顶级刊物Nano Lett. 2019, 19, 1860−1866 (DOI: 10.1021) 上。
Sn@C负极材料的制备过程
低浓度污染物的深度去除
水中的低浓度污染物（ng/L – mg/L），尤其是低浓度重金属是一类长期存在并亟需解决的重要问题。这些低浓度污染物与普通材料化学势不匹配，难以被富集到材料表面，很难通过常规技术手段进行去除。因此，如何调控材料结构来强化材料对它们的亲和力，是实现这类污染物深度去除的关键。然而目前这方面的调控机制还缺乏研究。
由于重金属，尤其是有机重金属结构中一般存在多种官能团，可能与材料间产生不同的作用力。林璋教授团队从污染物结构出发，设计材料使其与有机重金属间同时产生两种或多种作用力，通过这些作用力的协同提高材料对低浓度污染物的亲和力。以洛克沙胂和阿散酸（两种有机砷）为例，设计了一类四氧化三铁和石墨烯的三维复合材料Fe3O4@RGO，以及一种氨基改性的Zr基MOF材料UiO-67-NH2，利用其中铁/锆对砷的强配位作用，协同石墨烯/MOF配体与有机砷的有机官能团间的π-π和氢键作用，将两种材料对洛克沙胂和阿散酸的亲和力分别提高了11倍和3倍。吸附过程中，两种材料对有机砷的As-Fe/Zr配位及π-π作用均有所增强，并且形成了新的氢键作用力。这种协同作用可实现水中低浓度有机砷的深度提取，因此在实际环境中有极大的应用潜力。相关结果发表于Environmental Science Nano. 2017, 4, 2134-2143和Environmental Science & Technology. 2018, 52, 3466-3475。
Fe3O4@RGO和UiO-67-NH2对洛克沙胂和阿散酸的协同吸附机制
物相转化及重金属形态调控深度提取铬渣中包夹态Cr(VI)
从工业固废中提取重金属减少排放，不仅对于人类健康还是资源回收来说都非常必要。过去几十年，人们尝试了很多从固废中提取重金属的方法，但普遍的问题是提取效率不足，尤其是包夹态重金属是提取的难点。针对这一难点独创性地提出通过水热矿化剂协同调控关键物相的转变生长及重金属形态变化的策略实现包夹态Cr(VI)深度提取，以永久消除其环境危害。以含Cr(VI)硫酸钙渣为例，林璋教授团队通过水热调控二水硫酸钙—无水硫酸钙的物相转变出现溶解再结晶过程，使包夹态和晶格态Cr(VI)彻底释放；同时揭示了有效矿化剂（K2S2O8、H2SO4、HCl等）的作用除了促进硫酸钙相转变和生长，还能够将CrO42-转变为Cr2O72-。DFT计算表明，Cr2O72-与硫酸钙的界面结合能远低于CrO42- 从而避免其回到渣中，实现了Cr(VI)的完全提取，达到了完全脱毒的目标。相关研究成果发表于Environ. Sci. Tech., 2018, 52(22): 13336-42；J. Hazard. Mater. 2019, 373: 389-396；J. Hazard. Mater., 2019, doi.org/10.1016/j.jhazmat.2019.05.007。目前已形成了一系列含六价铬废渣提取回收铬和脱毒处理的关键技术，已授权发明专利7项，并申请PCT专利2项，获2018年第十届国际发明展览会金奖及2019年国家专利奖优秀奖。该系列技术正在与中国一化集团和中国盐业集团合作，通过共建含铬废渣处理和回用示范线，进行铬渣脱毒与资源化处理技术的行业推广。处理后的脱毒粉末满足脱毒铬渣综合利用标准（HJ/T 301-2007），可将其研制为重金属土壤钝化剂，还可用于场地修复，降低土壤中重金属的浸出毒性。实验效果表明脱毒粉末所制备的土壤钝化剂能大幅降低镉污染农田土壤中镉的迁移性，保障稻米等农业产品的安全。以上这些技术可实现铬资源回收和脱毒矿物的高值利用，变废为宝，高值化产品继而可用于解决农田/场地污染问题，促进经济可持续发展，具有重要的环境和社会效益。
含六价铬废渣提取回收铬和脱毒处理的微观机制、技术应用与推广