湖南农业大学周南团队JHM：新型α-氨基酸类结构修饰生物...

糖水

由于大量质子的竞争，化学吸附和物理吸附都不能很好地修复酸性土壤中的重金属污染，迫切需要可重复使用的稳定螯合剂。研究团队制备了含有大量硝基和羧基的生物炭，并将其组装成自支撑电极。在电催化下，生物炭表面修饰的-NO2可原位转变为-NH2，并结合连接在同一碳原子上的-COOH，可以成功构建特殊的α-氨基酸类结构修饰生物炭(α-AC@BC)。由于α-氨基酸类配体与重金属具有较强的亲和性，该α-AC@BC对有效铜、镉、铅和锌的去除率分别为83.41%，80.94%，92.54%和77.05%，即使在pH = 4的酸性土壤中也能保持较高的去除率。经过4次吸附-解吸循环后，α-AC@BC仍能去除83.88%的铜。-NH2，-COOH和重金属的高吸附能(铜：-2.99 eV；铅：-1.90 eV；锌：-1.30 eV；镉：-0.91 eV)可以形成稳定的配位结构，保证α-AC@BC在强酸土壤的重金属污染修复中具有很高的实际应用潜力。该研究为多种重金属复合污染的酸性土壤修复提供了新的思路。
螯合剂有聚磷酸盐、羟基羧酸、氨基酸等几种类型，其配位结构具有很强的亲和力。其中，α-氨基酸作为最常见、含量最多的氨基酸，具有较高的耐酸性，可以通过结合H+或提供质子来适应环境pH的变化。更重要的是，α-氨基酸与重金属之间的配位受pH的影响较小。然而，氨基酸通常是通过有机合成和酶促发酵获得的，产量较低且受环境因素的限制。此外，已有研究表明，过量α-氨基酸会活化土壤中的微量元素，导致养分流失。这些都限制了氨基酸在土壤中的直接应用，扩大了设计α-氨基酸类结构修饰材料的需求，从科学和实用角度来看都是非常有潜力的。迄今为止，获得α-氨基酸配体修饰吸附剂的主要方法是将各种α-氨基酸粘附在性质稳定且易于修饰的底物上。上述复合材料通常采用湿浸渍法制备，主要形成机理是界面粘结。然而，由于连接作用较弱(范德华力和氢键)且分布不均匀，粘结可能失败，导致界面剪切强度(IFSS)降低。这种缺陷也意味着材料再生能力差，只能一次性使用。因此，需要探索在生物炭等廉价碳基材料上直接构建α-氨基酸类结构的新策略。现有研究表明，湿热解体系可以通过氧化有效地将羧基负载到生物炭上。另一方面，有报道称电场可以提供质子-电子对，触发硝酸盐的C-N偶联反应而得到氨。生物炭载体获得原位形成的氨基，该氨基可能与羧基结合形成特殊的α-氨基酸结构。再与重金属离子络合，实现对酸性土壤重金属污染的修复。