Recyclable Fe3O4@UiO-66-PDA core–shell nanomaterials for extensive metal ion adsorption: Batch experiments and theoretical analysis

吸附 水溶液中的金属离子 金属有机骨架 金属 密度泛函理论 纳米材料 水溶液 化学 离子 材料科学 化学工程 无机化学 纳米技术 有机化学 计算化学 工程类
作者
Shujian Tian,Xin Shi,Shujie Wang,Yi He,Bin Zheng,Xianhong Deng,Ziqin Zhou,Wenbin Wu,Kai Xin,Lihong Tang
出处
期刊:Journal of Colloid and Interface Science [Elsevier]
卷期号:665: 465-476
标识
DOI:10.1016/j.jcis.2024.03.150
摘要

With the ever-increasing challenge of heavy metal pollution, the imperative for developing highly efficient adsorbents has become apparent to remove metal ions from wastewater completely. In this study, we introduce a novel magnetic core-shell adsorbent, Fe3O4@UiO-66-PDA. It features a polydopamine (PDA) modified zirconium-based metal-organic framework (UiO-66) synthesized through a simple solvothermal method. The adsorbent boasts a unique core-shell architecture with a high specific surface area, abundant micropores, and remarkable thermal stability. The adsorption capabilities of six metal ions (Fe3+, Mn2+, Pb2+, Cu2+, Hg2+, and Cd2+) were systematically investigated, guided by the theory of hard and soft acids and bases. Among these, three representative metal ions (Fe3+, Pb2+, and Hg2+) were scrutinized in detail. The activated Fe3O4@UiO-66-PDA exhibited exceptional adsorption capacities for these metal ions, achieving impressive values of 97.99 mg/g, 121.42 mg/g, and 130.72 mg/g, respectively, at pH 5.0. Moreover, the adsorbent demonstrated efficient recovery from aqueous solution using an external magnet, maintaining robust adsorption efficiency (>80%) and stability even after six cycles. To delve deeper into the optimized adsorption of Hg2+, density functional theory (DFT) analysis was employed, revealing an adsorption energy of -2.61 eV for Hg2+. This notable adsorption capacity was primarily attributed to electron interactions and coordination effects. This study offers valuable insights into metal ion adsorption facilitated, by magnetic metal-organic framework (MOF) materials.
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