γ-AlO(OH)/MgAl-LDH复合材料：甲基橙创纪录高吸附量与可持续再利用

摘要

本文报道了一种一锅法水热合成，将纳米针状γ-AlO(OH)插入MgAl-LDH层间，构建出具有卓越甲基橙（MO）吸附性能的异质结构。层间间距从7.6 Å扩大至8.77 Å，丰富的–OH基团增强了化学吸附动力学。该复合材料在210 min内完全去除1000 mg L⁻¹ MO，朗缪尔吸附容量达4681.40 mg g⁻¹——为LDH基吸附剂中的最高纪录。经四次吸附-解吸循环后容量仍保持760 mg g⁻¹以上，展现出优异的可循环性。

引言

有机染料广泛应用于纺织、皮革、涂料等行业，排入水体后造成严重环境威胁。其高极性、低挥发性和抗生物降解性使得去除困难。传统方法（光催化、生物氧化、膜过滤）能耗高或成本大。物理吸附，尤其是利用层状双氢氧化物（LDH），因其高阴离子交换容量和可调表面积，提供了简便、经济的替代方案。

近期研究表明，在LDH层间插入有机或无机物种可进一步提升吸附性能。γ-AlO(OH)具有高比表面积和丰富羟基，是层间插入的理想候选。本文演示了其成功整合入MgAl-LDH，制得的复合材料结合了扩大的层间间距和增强的–OH活性，实现了创纪录的吸附表现。

方法

γ-AlO(OH)/MgAl-LDH制备

将硝酸镁六水合物（4.615 g）和硝酸铝九水合物（3.376 g）溶于50 mL去离子水。氢氧化钠（2.516 g）溶于25 mL去离子水，维持pH 10。两溶液在60 °C剧烈搅拌下滴加至25 mL去离子水中，随后密封在140 °C水热反应10 h。所得浆液经洗涤、冻干后保存。纯MgAl-LDH和γ-AlO(OH)按相同法制备作对比。

表征

相鉴定：XRD（Cu Kα，5–80°）。形貌：场发射扫描电镜（S4800，5 kV）和透射电镜（JEM-2100F，200 kV）。表面化学：傅里叶变换红外光谱（4000–400 cm⁻¹）和X射线光电子能谱（ESCALAB 250Xi）。孔隙度：氮气吸附-解吸（BET, BJH）。光学性质：紫外-可见和光致发光（Varian）。动力学与等温线研究采用拟一/二级动力学方程及Langmuir/Freundlich模型。

吸附实验

50 mg吸附剂投入50 mL 1000 mg L⁻¹ MO溶液（pH 3）搅拌。定时取3 mL离心，上清液在463 nm测吸光度。平衡与瞬时吸附量按q_t = (C₀–C_t)V/m和q_e = (C₀–C_e)V/m计算。

解吸与再生

吸附后用去离子水洗涤，再用30%乙醇洗涤，冻干。重复吸附-解吸循环考察可循环性。

结果与讨论

结构表征

XRD确认MgAl-LDH与γ-AlO(OH)共存。(003)峰从11.63°（7.6 Å）移至10.09°（8.77 Å），表明层间间距扩大。FESEM/TEM显示纳米片层MgAl-LDH与纳米针γ-AlO(OH)交织。高分辨TEM晶格条纹（0.235 nm, 0.152 nm）分别对应γ-AlO(OH) (031)和MgAl-LDH (110)。EDX映射显示元素分布均匀。

pH影响

pH 3时吸附最佳；高pH下静电吸引减弱导致容量下降。pH 3时，210 min后溶液变清澈，确认染料完全去除。

吸附动力学

所有样品均显示快速初始吸附。γ-AlO(OH)/MgAl-LDH平衡吸附量达1000 mg g⁻¹（MO浓度1000 mg L⁻¹），远高于γ-AlO(OH)的183.3和MgAl-LDH的155.5 mg g⁻¹。拟二级动力学拟合（R² > 0.99）表明化学吸附为控速步骤。

等温线分析

Langmuir拟合给出复合材料q_m = 4681.40 mg g⁻¹, K_L = 4.62×10⁵ L mg⁻¹，远超γ-AlO(OH)（1492.5 mg g⁻¹）和MgAl-LDH（769.2 mg g⁻¹）。Freundlich常数进一步证实强吸附亲和力。

吸附机制

BET比表面积（MgAl-LDH 14.1, γ-AlO(OH) 95.9, 复合材料 34.1 m² g⁻¹）表明容量非仅由表面积驱动。扩大的(003)平面允许MO阴离子通过离子交换嵌入，吸附后XRD新峰与3.22 Å层间增量为证。Zeta电位（γ-AlO(OH)/MgAl-LDH在pH 3为+43 mV）显示高正电表面强力吸引阴离子染料。FTIR和XPS揭示氢键与–OH位点化学吸附，符合拟二级动力学。

可循环性

四次吸附-解吸循环后，复合材料保留762 mg g⁻¹容量（>76%初始值），确认耐用性能。

结论

本文通过单锅水热法构建γ-AlO(OH)/MgAl-LDH异质结构，实现甲基橙前所未有的吸附：朗缪尔容量4681.40 mg g⁻¹，210 min内完全去除。协同的“空间限域”γ-AlO(OH)生长与丰富羟基支撑了优异动力学与容量。材料高度可循环，四次循环保留>76%容量。其强正电表面与稳健结构使其成为处理阴离子染料污染及潜在光催化剂载体的有力候选。