华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室王小英教授课题组受豆荚结构启发，利用自组装技术，开发了一种对结晶紫染料具有高吸附性的MXene/壳聚糖多孔炭微球吸附剂。相关成果发表于《Chemical Engineering Journal》，题目为“Pod-inspired MXene/porous carbon microspheres with ultrahigh adsorption capacity towards crystal violet”。吴正国博士为论文第一作者，邓伟杰硕士为共同一作，王小英教授、罗继文教授为共同通讯作者。
背景介绍
染料结晶紫（CV）在水体中具有极强的稳定性，对生物体有毒，在低浓度时产生强烈的颜色，造成“视觉污染”。因此，如何有效地将其从水中去除，对保护水生态系统具有重要意义。壳聚糖可以转化为高比表面积的多孔炭球（CPCM）材料。然而，单纯的CPCM对染料CV的去除效果不够理想。为了解决上述问题，需要进一步调控碳球体系的结构、表面理化性质。
受到豆荚结构的启发，王小英教授课题组基于带正电荷的CPCM和带负电荷的Ti3C2Tx（MXene）片层之间的静电自组装，获得CPCM@MXene复合材料，该材料呈现出三维排列，其中MXene纳米片保持开放，便于污染物分子进入这种新型吸附剂的内部，从而促进了污染物分子的迁移，缩短了扩散路径，提高了对染料吸附率。
图文解读
CPCM@MXene吸附剂的制备
该材料的优势：
（1）结构稳定，开发的三维结构便于污染物分子迁移，缩短扩散路径。
（2）具有丰富孔隙结构，且对结晶紫染料具有超高吸附性。
图1. CPCM@MXene制备及吸附流程示意图。
CPCM@MXene结构表征
CPCM被插入MXene纳米片之间，类似于“豆荚”中豆粒的排列，且被活化形成了多孔结构，具有丰富的层次性孔隙结构，能够为染料提供足够的渗透空间和丰富的吸附位点。
图2. MXene（a1）和CPCM@MXene（b1-d1）的SEM图像，MXene（a2）和CPCM@MXene（b2和d2）的TEM图像。
CPCM@MXene对CV的吸附性能研究
该吸附剂对结晶紫染料具有超高吸附能，吸附率达99%以上；染料体系中Na+、K+、Mg2+、Ca2+、Cl- 、CO32-、NO3-和SO42-等阳离子、阴离子对CPCM@MXene吸附CV性能几乎无影响，且低浓度腐殖酸也影响不大。
图3.（a）CV在不同pH下的稳定性，不同pH下CPCM@MXene对CV的吸附量（b），初始浓度（c）、不同吸附剂（d）和共存离子（e）、腐殖酸（f）对CV吸附的影响。
吸附机理分析
CV在CPCM@MXene上的吸附机理是一个复杂的过程，其吸附机理：物理吸附、π-π堆积、氢键和静电相互作用等多种协同作用。
图4.（a）CPCM@MXene吸附机理示意图，（b）CPCM@MXene和CPCM@MXene/CV的N 1s谱，CPCM@MXene/CV的高分辨N 1s（c）和O 1s（d）光谱图。
总结
以MXene层状材料和多孔碳微球为基质，通过自组装获得一种新型的高吸附性材料(CPCM@MXene)，并用于除去水中的CV染料。CPCM@MXene的三维排列是通过CPCM的插入到MXene纳米薄片间而永久分离，形成类似于豆荚的三维结构。结果显示，CPCM@MXene对CV的吸附效率非常高，几乎超过了所有碳基材料的吸附效率。吸附过程符合Langmuir吸附等温线模型和准二级动力学模型。循环实验显示，该吸附剂具有良好的重复利用性。这一方法为MXene吸附剂的开发提供了新的技术途径。
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.130776