一文了解二维蒙脱石纳米片基环境功能材料

水体环境污染问题是近年来制约可持续发展的巨大阻碍，并且对人类生命安全和健康构成潜在威胁。蒙脱石纳米片不仅作为材料骨架提供了多孔结构和大比表面积，而且剥离后的蒙脱石暴露出更多的表面反应活性位点，有利于功能性分子的结合和吸附，蒙脱石表面天然负电性和边缘羟基基团以及良好的化学和热稳定性也为其作为复合吸附剂提供了巨大的应用优势。

王伟和康石长等人将超声剥离得到的蒙脱石二维纳米片与链状有机高分子壳聚糖（Chitosan，CS）通过蒙脱石片层边缘铝羟基（Al－OH）和壳聚糖链上的官能团（－NH3+）相结合，制备了具有三维结构的蒙脱石水凝胶（MMTNS－CShydrogel）。

图1 （a）蒙脱石二维纳米片与壳聚糖自组装制备水凝胶机理图及（b，c）水凝胶的三维网状结构

制备的蒙脱石水凝胶具有疏松多孔的轻质结构，吸水保水能力很强，对水溶液中重金属污染物Pb2+的吸附量最高可达约45mg/g，对有机染料亚甲基蓝（Methyleneblue，MB）的吸附量可达约530mg/g，吸附效果远高于未剥离蒙脱石或其他改性蒙脱石和活性炭等常用吸附剂。

近期，赵云良又提出了一种铁－壳聚糖/蒙脱石复合凝胶（Fe－CS/MMTNS），对MB进行吸附和光芬顿反应协同处理，该复合凝胶能够在广泛pH范围内保持对MB的高效降解（图2a），并表现出极佳的循环稳定性（图2b），其协同作用机理如图2c所示：一部分MB直接被光芬顿产生的羟基自由基氧化而发生脱甲基作用，还有部分MB则是先吸附在Fe－CS/MMTNS凝胶上然后再被羟基自由基氧化降解。

图2 （a）铁－壳聚糖/蒙脱石自组装凝胶对亚甲蓝的吸附和降解去除率，pH=3；（b）铁－壳聚糖/蒙脱石自组装凝胶循环性能；（c）铁－壳聚糖/蒙脱石自组装凝胶吸附/光芬顿反应协同降解亚甲基蓝机理图

在MMTNS－CS水凝胶的基础上，王伟等人继续利用二维蒙脱石纳米片制备了一种多孔有机高分子复合材料（Porous organic polymer，POP），即采用聚乙烯醇（PVA）、海藻酸钠（SA）和壳聚糖（CS）与蒙脱石纳米片复合制备直径约3mm的凝胶微球（图3a，b）。凝胶球内部可看到均匀分布的微孔结构（图3c，d），蒙脱石纳米片起到了骨架支撑作用，且对MB同样具有很好的吸附去除效果。

图3 （a）PVA/SA/CTS－MMTNS凝胶球；（b）冷冻干燥后的PVA/SA/CTS－MMTNS凝胶球；（c）（d）为凝胶球内部多孔结构的SEM形貌图；（e）CS－MMTNS中空层状球壳制备过程；（f）CS－MMTNS中空层状球壳SEM测试形貌；（g）CS－MMTNS中空球壳TEM测试形貌

陈鹏等人则是首先将CS负载在聚苯乙烯（polystyrene，PS）微球表面，然后将表面修饰的PS颗粒浸入剥离后的蒙脱石纳米片分散液中，通过层层自组装形成核－壳结构，之后通过煅烧去除PS内核得到中空的壳聚糖－蒙脱石球形外壳（MMTNS@CS－HMPHS）（图3e－g）。制备的蒙脱石球状外壳表面具有通向内部的介孔通道，球壳内部因与壳聚糖结合而具有与外表面不同的活性位点；其大比表面积和差异性的活性位点分布可用于吸附和用作催化剂载体等。

除水体中的重金属离子和有机染料污染外，温室气体CO2的大量排放对全球气候产生的影响也是迫在眉睫的环境问题。常用的烷烃醇胺溶液处理CO2能力不足，且其自身毒性和腐蚀性容易造成二次污染。

能够负载胺的黏土矿物由于天然的笼状或层状结构以及良好的生物相容性和化学稳定性受到越来越多的关注。Lee等人首先用阳离子表面活性剂CTAB对蒙脱石进行插层改性，再将CTAB插层蒙脱石至于甲苯溶剂中进行超声剥离，再将二元胺基团嫁接到剥离的蒙脱石纳米片表面。该胺改性蒙脱石吸附剂在100℃纯CO2气氛中最大吸附量为2.4mmol/g，均高于其他胺改性吸附材料，并且在吸附/解吸循环中最大吸附容量基本保持不变。

二维蒙脱石纳米片在上述对于环境污染水处理和温室气体吸附方面的研究展现出其作为二维材料原料的结构优势和黏土矿物天然物化特性在合成材料过程中的关键性作用，相较于传统环境材料，二维蒙脱石制备的功能各异的环境功能材料具有明显的应用优势。

资料来源：《白皓宇,赵云良,王伟,等.蒙脱石剥离二维纳米片及其功能化应用[J].矿产保护与利用,2019,39(06):101-111》