随着工业化进程的加速，重金属污染问题日益严重，对生态环境和人类健康构成了巨大威胁。传统的重金属处理方法存在效率低、成本高、可能产生二次污染等缺点。因此，开发新型、高效的重金属去除技术成为环境工程领域的研究热点。近年来，基于零价铁(Fe0)的材料因其强大的还原能力和高反应活性而受到广泛关注。然而，Fe0材料在实际应用中存在钝化和聚集的问题，限制了其去除效率。为了解决这一问题，研究者们通过双金属改性策略，制备了具有协同效应的Fe-Mg双金属纳米复合材料，以期提高对重金属的去除效率。
2024年1月，复旦大学朱向东、张士成等人在《ACS ES&T Engineering》上发表了题为"Joule Heating Induced Reductive Iron–Magnesium Bimetallic Nanocomposite for Eminent Heavy Metal Removal"的论文。本研究利用闪蒸焦耳加热技术，成功构建了一种新型的Fe-Mg双金属纳米复合材料(FeMg/NC)。该材料通过超快加热和淬火过程，形成了Fe0和Mg0包裹在芳香碳层中的相融合结构。实验和理论计算表明，FeMg/NC对目标污染物的去除效率是单金属纳米复合材料的2-3倍。这种提高的去除效率源于FeMg双位点的协同效应，促进了FeMg/NC与目标污染物之间的相互作用。研究还探讨了FeMg/NC的结构演变与重金属去除性能之间的关系，并探索了双金属改性去除这些污染物的机制。
本研究通过焦耳加热（FJH）技术，成功地在碳基质上制备了具有高还原性的铁镁双金属纳米复合材料（FeMg/NC），并对其在重金属废水处理中的性能进行了深入探讨。
图1展示了FeMg/NC的合成机制和对各种重金属的去除效率。通过瞬态焦耳加热技术，成功制备了具有相融合结构的FeMg/NC样品。与Mg/NC和Fe/NC样品相比，FeMg/NC样品对Cr(VI)、Sb(V)、Ni(II)和Cu(II)等重金属表现出了卓越的去除效率。
图2通过电子显微镜和X射线衍射等技术，分析了FeMg/NC样品的结构演变。HAADF图像和元素映射显示了Fe和Mg在样品中的均匀分布，证明了Fe和Mg金属中心在FeMg/NC拓扑结构中的均匀分散。
图3进一步探讨了FeMg/NC在重金属去除过程中的还原性能和结构演变。XPS光谱分析显示，FeMg/NC样品在反应过程中将Cr(VI)还原为Cr(III)，并在表面固定。
图4深入分析了双金属改性提高去除性能的反应机理。通过密度泛函理论(DFT)计算，研究了Cr(VI)在FeMg/NC样品的Mg和Fe位点上的吸附能，揭示了双金属结构对Cr(VI)的吸附和还原具有更好的效果。
图5展示了FeMg/NC样品在模拟含重金属废水中的去除效果，证明了其在实际应用中的巨大潜力。FeMg/NC样品不仅在去除效率上表现出色，而且在不同的pH值、剂量和溶液气氛下均能保持较高的去除性能。
综上，FeMg/NC样品通过FJH技术制备，不仅提高了重金属的去除效率，而且增强了材料的稳定性和活性，为环境修复材料的开发提供了新的思路和方法。
本研究成功利用焦耳加热（FJH）技术，通过在毫秒级时间内的超快速加热和淬火过程，制备了具有相融合结构的铁镁双金属纳米复合材料（FeMg/NC）。该材料在去除含重金属废水中的Cr(VI)、Sb(V)、Ni(II)和Cu(II)等典型重金属方面展现出卓越的性能。FeMg/NC的制备不仅提高了材料的还原能力，而且通过电子离域效应增强了其对重金属的吸附和还原效率。研究结果表明，FeMg/NC的双金属结构对其提高的去除效率至关重要。与传统的Fe0基材料相比，FeMg/NC在实际应用中显示出更高的稳定性和活性，即使在空气中暴露三个月后仍保持高效的重金属去除能力。此外，FeMg/NC在不同pH值、剂量和溶液气氛下均表现出良好的去除效率，证明了其在废水处理中的多功能性和适用性。
本研究还深入探讨了FeMg/NC的还原机制，通过实验和理论计算揭示了双金属改性对提高去除性能的作用。密度泛函理论（DFT）计算结果表明，FeMg/NC表面的活性位点能以更低的吸附能吸引重金属，并通过多样化的电子转移途径促进还原反应，这为设计新型高效环境修复材料提供了理论基础。
展望未来，FeMg/NC的合成方法具有可扩展性，为环境修复材料的制备开辟了新途径。FJH技术不仅适用于制备还原性材料，还为开发具有可调结构和理想功能的新型双金属纳米复合材料提供了广阔的可能性。此外，FeMg/NC在模拟含重金属废水中的有效性展示了其在处理复杂环境废水方面的潜力，有望成为环境修复领域的重要技术。随着进一步的研究和优化，FeMg/NC有望实现商业化应用，为全球水资源的保护和重金属污染的治理做出重要贡献。
Chao Jia; Liming Sun; Xuan Wu; Fengbo Yu; Litao Lin; Zhelin He; Jie Gao; Shicheng Zhang; Xiangdong Zhu. Joule Heating Induced Reductive Iron–Magnesium Bimetallic Nanocomposite for Eminent Heavy Metal Removal. ACS ES&T engineering. , 2024. DOI: 10.1021/acsestengg.3c00514
