Nanoporous Cerium-Doped MIL-53(Fe)-NH2 for Effective and Selective Removal of Phosphate from Wastewater

纳米孔 吸附 磷酸盐 双金属片 无机化学 选择性 材料科学 离子交换 离子半径 兴奋剂 核化学 化学 金属 离子 催化作用 物理化学 纳米技术 有机化学 冶金 光电子学
作者
Yuqian Zhu,Boxian Ren,Yewei Qiu,Qiaoshu Zhou,Jun Chang,Zhiguo Lin,Xiangjun Yang
出处
期刊:ACS applied nano materials [American Chemical Society]
卷期号:7 (17): 20700-20713 被引量:15
标识
DOI:10.1021/acsanm.4c03670
摘要

In this work, nanoporous cerium (Ce)-doped Fe-based MOFs were successfully synthesized by a convenient solvent-thermal method, which was designed to efficiently remove phosphate. Adsorption experiments showed that doping Ce into MIL-53(Fe)-NH2 greatly improved its adsorption performance for phosphate. The maximum phosphate adsorption capacities of MIL-53(Fe)-NH2, 0.5Ce-MIL-53(Fe)-NH2, and Ce-BDC-NH2 were 213.0 mg g–1, 301.5 mg g–1, and 246.0 mg g–1, respectively. Moreover, they all had fast kinetics, and it took 80, 80, and 30 min for MIL-53(Fe)-NH2, 0.5Ce-MIL-53(Fe)-NH2, and Ce-BDC-NH2 to reach equilibrium, respectively. Mechanism studies show that doping Ce with a larger ionic radius in MIL-53(Fe)-NH2 increases the number of unsaturated coordination centers and defects in MOF crystals, resulting in more active sites for phosphate adsorption. Phosphate adsorption by 0.5Ce-MIL-53(Fe)-NH2 includes ligand exchange and electrostatic attraction. In this process, Ce–O–P and Fe–O–P complexes are formed between phosphate and metal central ions, and surface hydroxyl groups play an important role. In addition, nanoporous bimetallic 0.5Ce-MIL-53(Fe)-NH2 proved to be stable over a wide pH range and could be recycled at least 4 times. A low solid-to-liquid ratio of 0.5Ce-MIL-53(Fe)-NH2 could remove phosphate from real wastewater, which exhibited excellent removal performance, excellent environmental adaptability, and high selectivity. All of the results indicate that bimetallic nanoporous 0.5Ce-MIL-53(Fe)-NH2 is an outstanding phosphate adsorbent that could be potentially used to treat wastewater with significant application value in environmental remediation.
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