责任编辑：张宇森

废水中有毒重金属和染料的共污染对生态系统和人类健康构成严重威胁，然而能够同时高效去除重金属和染料的吸附剂仍然有限。因此，研究团队通过缩合法和选择性液相刻蚀法制备了一种新型的表面蚀刻巯基功能化多孔纳米二氧化硅微球（E-MPNS），用于同时高效去除废水中的Cd(II)和孔雀石绿（MG）（图1）。

图1. 图文摘要

研究表明，表面蚀刻显著降低了巯基功能化多孔纳米二氧化硅（MPNS）的粒径并改变了其结构：E-MPNS的粒径降至20–30 nm，并变得更加紧凑和不规则（图2a-c）。多孔纳米二氧化硅（PNS）中存在的主要元素是C、Si和O（图2d）。经过改性和表面蚀刻，S元素出现在E-MPNS的表面上（图2e），表明-SH成功接枝，巯基官能团的负载有利于Cd(II)和MG的吸附。

图2. PNS（a）、MPNS（b）和E-MPNS（c）的TEM图像。PNS（d）和E-MPNS（e）的EDS能谱分布图（插图是高角度环形暗场扫描TEM图像）。

动力学模型拟合分析表明，二级动力学模型更适合描述E-MPNS对Cd(II)和MG的吸附，表明吸附过程主要由化学吸附控制（图3）。而吸附热力学研究表明Langmuir模型更适合用于描述其吸附过程，表明其单分子层吸附过程 （图4）。并且在298.15、308.15和318.15K下，Cd(II)的最大吸附容量分别为436.68、431.03和427.35mg/g，MG的最大吸附量分别为3831.08、3800.07和3338.74 mg/g。这些结果表明，E-MPNS具有快速的吸附速率和超高的吸附能力，这使得快速处理废水中Cd(II)和MG污染成为可能。

图3. E-MPNS对Cd(II)（a、b和c）和MG（d、e和f）的吸附动力学模型的线性拟合。

图4. E-MPNS对Cd(II)（a、b、c和d）和MG（e、f、g和h）的吸附等温线模型的线性拟合。

吸附机理研究表明，E-MPNS对Cd(II)和MG的吸附机理分别为表面络合和离子交换，以及氢键和静电吸引（图5）。密度泛函理论计算表明，与E-MPNS-MG相比，E-MPNS-Cd(II)络合物具有更高的分子稳定性和更低的反应活性，并且E-MPNS-Cd(II)的能隙（–SH为1.15 eV，–OH为0.71 eV）明显大于E-MPNS-M（–SH的0.69 eV和–OH的0.52 eV）（图6）。此外，细菌生长和种子发芽实验表明E-MPNS具有良好的生物相容性，并且可以在一定程度上促进植物生长（图7）。综上所述，该研究揭示了表面刻蚀方法对纳米二氧化硅材料吸附性能的有效提高，而E-MPNS可能是同时去除废水中多种污染物的理想吸附剂。

图5. E-MPNS对Cd(II)和MG的吸附机理

图6. E-MPNS的LUMO和HOMO图（a），-SH-Cd（b），-OH-Cd（c），MG（d），-SH-MG（e）和-OH-MG（f）。

图7. 24小时后培养的大肠杆菌的数码照片（a）和用不同浓度的E-MPNS处理的小麦种子的发芽照片（b）。

相关研究结果以“Facile synthesis of surface-etched functionalized porous nanosilica microspheres for the simultaneous removal of cadmium and malachite green: Experimental and DFT studies”为题，发表于工程技术期刊Separation purification and technology（中科院一区top）上，目前影响因子8.1，https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1383586624023244?dgcid=author。我院环境科学专业硕士研究生陈铭为论文第一作者，王洋洋副教授为论文通讯作者，河南大学地理与环境学院为第一署名单位，该研究得到了人因工程重点实验室、河南省自然科学基金项目、河南省教育厅科技研究重点等项目的资助。