石墨烯/壳聚糖纳米反应器 超快速精确回收和催化转化电子垃圾中金

从电子垃圾中提取金 (Au) 既有环境影响，又有内在价值。不当的电子垃圾处理会带来环境和健康风险，需要大量的补救和医疗费用。人们投入大量精力从电子垃圾中回收金，采用复杂的工艺，包括溶解金、将其吸附在离子状态下，然后还原为金属金。这些工艺本身很复杂，而且使用刺激性化学物质，这加剧了电子垃圾对环境的影响。在这里，我们提出了一种同时从电子垃圾中回收和还原 Au3+ 和 Au+ 离子以产生固体 Au0 形式的方法，从而跳过了几个技术步骤。我们通过二维氧化石墨烯和一维壳聚糖大分子的自组装开发了一种纳米级跨维度复合材料，能够同时充当金离子的清除剂和还原剂。这种多维结构不需要施加任何电压来吸附和还原金，而仅依赖于异质 GO/CS 纳米结构中金离子的化学吸附动力学及其在多个结合位点上的化学还原。离子吸附中的协同现象是金提取效率极高的原因。提取容量达到 Au3+ 的 16.8 g/g 和 Au+ 的 6.2 g/g，是任何现有金吸附剂所能提供的容量的十倍。效率高于 99.5 wt.%（当前限制为 75 wt.%），提取能力可低至 3 ppm 的极低浓度。

图 1. GO/壳聚糖海绵用于金的吸附和过滤。（A）通过密度泛函理论计算优化的 CS⋅⋅⋅GO 复合物的几何形状。（B）用于超快速高效吸附/提取金的 GO/CS 海绵示意图，δ = 1 或 3。（C）GO/CS5 海绵的 SEM 图像。（D）照片显示了装入注射器的 GO/CS 海绵（左），然后加入 5 mL 200 ppm Au3+ 溶液（中）以及过滤前后实时颜色变化的可视化（右）。2.5 mg 海绵吸附剂以 0.14 g/g min 的吸附速率（详见 SI 附录表 S1）从 5 mL 中提取 200 ppm 的金需要大约 2.86 分钟。

图 2. Au3+ 化学吸附的提取能力、热力学和动力学。（A）在 6,800 ppm Au3+ 中浸泡 1 小时后，金提取能力与 CS:GO 质量比的关系，红色 — GO/CS 海绵，灰色 — 纯 CS 海绵。插图：显示比例小于 5 时的 GO/CS 混合物的照片。（B）在 8,170 ppm Au3+ 中浸泡 1 小时后，在不同 pH 下制备的 GO/CS10 的提取能力。（C）可重复使用性测试显示 GO/CS10 海绵在 5 个循环吸附-解吸程序后的金提取能力。解吸是通过超声波槽中的清洗和超声处理实现的（D）通过 GO/CS10 海绵在 200 ppm Au3+ 中浸泡 1 小时后浓度平衡常数 (Kc) 随温度变化的提取热力学研究。(E) pH 为 5 的 GO/CS10 海绵在浓度范围为 2 ppm 至 100 ppm 的 Au3+ 水溶液中浸泡 1 小时后的萃取能力，由 Hill 模型拟合（红线）。插图：GO/CS10 海绵的照片。（比例尺，3 毫米。）（F）GO/CS10 海绵拟一级反应动力学拟合结果。

图3. GO/CS海绵对Au+和Au3+的提取和还原。(A和B) GO/CS海绵吸附Au3+ (A)和Au+ (B)的SEM/EDX图像，EDX映射显示金元素为黄色。(C和D) Au3+ (A)和Au+ (B)吸附后原始GO、CS和GO/CS海绵上金纳米粒子的4f XPS光谱。(E) 通过密度泛函理论计算优化的CS2+…Au3+…GO2− (左)和CS2+…Au+…GO2− (右)复合物的最稳定几何形状。原子颜色符号：C—灰色，H—白色，O—红色，H—白色，Au—黄色。(F) 在Au3+（球体）和Au+（四面体）浓度、萃取平衡时间和萃取容量方面的金提取性能比较（详情请参阅SI附录，表S3）。插图：通过 SEM/EDX 对 GO/CS 海绵进行元素分析。

图 4. 从电子垃圾中提取黄金。（A）从电子垃圾中提取黄金的工业电解过程示意图，通常涉及电化学过程和废物处理。（B）经过 SG Recycle Group SG3R, Pte, Ltd. 提供的电解过程后，废物混合物的成分中通常含有无法回收的金残留物，测得的含量为 3.1 ppm。（C）在 pH 值为 8.8 的情况下用 GO/CS 海绵进行电解和废物处理后，废物混合物的成分会进一步改变。该处理过程旨在提高从废物混合物中回收铁等金属的效率，但不回收金。（D）将 pH 值调节至 3 后，用 GO/CS 海绵对废物混合物进行顺序处理，从而从废物混合物中完全回收残留的金。所有实验中，每次处理的浸泡时间为 1 小时。

相关科研成果由新加坡国立大学Daria V. Andreeva，Kostya S. Novoselov等人于2024年发表在PNAS（
https://doi.org/10.1073/pnas.2414449121）上。原文：Graphene/chitosan nanoreactors for ultrafast and precise recovery and catalytic conversion of gold from electronic waste

　　来源：石墨烯研究