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Hierarchical Magnetic Nanocomposite for the Efficient Sequestration of Perfluorooctanoic Acid and Toxic Metals: Unraveling Multimodal Adsorption Mechanisms

全氟辛酸 化学 吸附 三元运算 污染物 纳米复合材料 化学工程 金属 量子点 环境化学 介孔材料 密度泛函理论 碳纤维 原位 纳米颗粒 磁性纳米粒子 纳米技术 无机化学 壳体(结构) 炭黑 水溶液中的金属离子 金属有机骨架
作者
Mohamed Rashad,Abdullah Alhendal
出处
期刊:ACS applied energy materials [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acsaem.6c02860
摘要

Abstract Adsorbents that remove per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) alongside heavy metals typically fail because PFAS capture requires acidic pH while metal capture requires near-neutral pH, and materials optimized for one class perform poorly on the other. We report a magnetically recoverable nanocomposite, Fe3O4@SiO2@Fe-MOF@N-doped carbon quantum dots (Mag–MOF–CQD), that resolves this conflict by spatially segregating the two capture chemistries: a mesoporous Fe-MOF shell binds perfluorooctanoic acid (PFOA) through electrostatic and hydrogen-bonding interactions, while an outer nitrogen-doped carbon-dot layer binds Pb2+ and Hg2+ through inner-sphere coordination. A two-stage pH-swing protocol (utilizing sequential fresh doses of the same material platform) exploits this segregation to remove all three pollutants from a single ternary mixture at 94–99% efficiency, with magnetic recovery in under 30 seconds. In authentic tap water, the material lowers PFOA from 50 ng L–1 to 1.5 ng L–1, below the 4 ng L–1 US EPA drinking-water limit. The Fe-MOF shell also catalyzes in situ photo-Fenton-like defluorination of captured PFOA (72% efficiency under simulated solar light), partially degrading the pollutant rather than merely relocating it. Density functional theory models and spectroscopic analysis suggest that the two active-site classes operate independently, mitigating competitive interference. Mag–MOF–CQD thus combines regulatory-relevant trace removal, multi-pollutant selectivity, and integrated partial destruction in a single recoverable material.

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