吸附材料综述0505丨印度德里大学CCR论文丨二维材料去除重金属离子的研究综述：机理、表面化学及配位键合

2026年4月，国际期刊《Coordination Chemistry Reviews》在线发表了印度德里大学题为“A comprehensive review of heavy metal ions removal using 2-D materials: mechanism, surface chemistry, and coordination bonding”的综述性论文。重金属污染是全球最严峻的环境问题之一。二维材料因其原子级厚度、高比表面积及丰富官能团，在重金属去除方面展现出巨大潜力。本文全面综述系统总结了石墨烯、MXene、MOFs、TMDs、LDHs、COFs等多种2D材料在重金属污染去除的最新进展。其中，氢化石墨炔（HsGDY）对Pb²⁺的吸附容量达2390 mg/g，rGO-PDA/Co-ZIF-8为1217 mg/g，ZIF-8@iCG为1277.4 mg/g，SrFe₂O₄/S-MXene对Hg²⁺达838.99 mg/g。该综述首次系统阐明配位键合在2D材料吸附重金属中的关键作用，为设计下一代高效吸附剂提供了理论依据。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.ccr.2026.217774

摘要

水体系统中重金属离子水平的不断上升对环境和人类健康构成重大威胁，因此亟需有效的去除策略。目前已有多种技术可用于去除重金属离子，但吸附法因其成本效益高、效率优良而成为一种良好的替代方案。已有多种材料被探索用于重金属离子去除，其中二维（2D）材料因其高比表面积而尤为具有前景——高比表面积使得材料内部功能可被修饰，并可引入额外的官能团。除吸附作用外，二维材料对金属离子的去除还涉及配位键的形成。配位键发生在二维材料中各类官能团（–OH、–COOH、–SH、–NH₂）与金属离子的空轨道之间。本综述重点阐述了吸附与配位化学在去除Pb²⁺、Cd²⁺、Cr³⁺及Hg²⁺等重金属离子中的作用。作者系统探讨了多种二维材料及其复合材料在重金属离子去除中的应用，包括石墨烯衍生物、过渡金属二硫属化物（TMDs）、层状双氢氧化物（LDHs）、MXenes及金属有机框架（MOFs）。此外，本文详细讨论了金属离子结合的机制，特别是静电作用与配位键合。同时，综述还涉及部分关于计算工具应用的研究，并探讨了其与实验工作关联的重要性。为评估二维材料去除金属离子的商业化进展，本文还讨论了几项相关专利。然而，目前仍需开发效率更高、易于宏量合成且稳定性好的新型材料用于重金属离子去除。

研究背景

重金属离子已造成显著污染，引发严重的环境问题，并对人类及水生生物构成生命威胁。为解决这一问题，研究人员正致力于探索二维材料，因其具有较大的比表面积，便于引入可根据特定需求调控的官能团[20–22]。作者重点综述了材料中各类官能团与重金属离子空轨道之间的相互作用。本文涉及多种二维材料，包括石墨烯、石墨炔、过渡金属二硫属化物（TMDs）、层状双氢氧化物（LDHs）、MXenes、金属有机框架（MOFs）等，以理解它们通过配位键合、吸附及其他电子相互作用去除重金属离子的潜力。作者尝试将基于表面修饰、pH等因素调控的金属离子去除实验与计算结果进行关联。本文还讨论了二维材料应用面临的挑战，以及开发具有生物相容性且可宏量制备的高效水净化材料的未来方向。

研究亮点

• 配位键合在二维材料吸附重金属离子过程中发挥重要作用。
• 不同的二维材料利用特定的官能团实现与金属离子的有效结合。
• 可规模化制备、成本、再生能力以及实际环境中的性能等关键挑战，仍制约着其实际应用。
• 通过专利态势分析与对比讨论，凸显重金属离子去除的研究重点。

图文导读

图1：自然源与人为源重金属及其毒性效应示意图

图2：海洋重金属污染示意图，特别展示了海洋变暖与酸化等次生效应

图3：废水中重金属离子去除的典型方法

图4：几种常见的二维层状材料

六大类2D材料性能对比

1 石墨烯及其衍生物（GO/rGO）

图8. GO片层的三维原子模型

GO和rGO富含-OH、-COOH、-NH₂等官能团，可通过静电作用与配位键合高效捕获重金属离子。

吸附机制：图9a-e展示了IOGO、DTPA功能化GO及CA-GO等材料的配位与静电吸附机理。IOGO中的胺肟基与含氮基团通过螯合作用与Pb(II)/Cd(II)形成配位键；CA-GO在不同pH下依赖静电吸引与配位络合捕获Cr(III)、Cu(II)和Cd(II)。

2 石墨炔/石墨二炔（Graphyne/Graphdiyne）

此类材料兼具sp与sp²杂化碳原子，形成丰富的π电子体系，对软金属离子（Hg²⁺、Pb²⁺）具有强亲和力。

图10. 展示了(a) Hg(II)在S-GY上的机械化学反应路径，(b) GFYO-3M对Hg(II)的吸附机理，(c) GCE对Pb(II)和Cd(II)的吸附与修饰，以及(d) 使用GDY/GCE通过阴极富集和阳极溶出法检测Cu(II)。HsGDY是目前报道的Pb(II)吸附容量最高的材料之一，其优异性能归因于高比表面积与富乙炔键结构。S-GY中S原子与Hg²⁺之间的软-软相互作用（基于HSAB原理） 实现了869.6 mg/g的高效吸附。图10a-d展示了S-GY、GDYO-3M、TGDY及GDY/GCE的吸附与检测机理。

3 过渡金属二硫族化合物（TMDs）

TMDs（如MoS₂、WS₂）具有高极化率，可作为软路易斯碱与重金属离子形成稳定配位键，尤其在边缘位点与缺陷处。

图11. TMD的三维原子模型

图12a-f展示了ANFs/WS₂、CS/WS₂、MoS₂@Fe₃O₄、MoSe₂、CoS₂-SnS₂@NC等材料的吸附机理。ANFs/WS₂中，WS₂的S原子与Pb²⁺之间的路易斯酸碱软-软相互作用，以及ANFs中N/O原子与Pb²⁺的螯合作用，共同实现了高效选择性吸附。

图12. (a) ANFs/WS₂气凝胶吸附Pb²⁺的示意图，(b) WS₂纳米片与壳聚糖之间的相互作用，(c) 孔隙形成与Cu(II)吸附机理，(d) 使用1T/2H MoSe₂吸附重金属，(e) MoS₂/CeO₂纳米复合材料用于重金属离子吸附的合成示意图，(f) CoS₂–SnS₂@NC纳米结构的合成路径。

4 层状双金属氢氧化物（LDHs）

LDHs具有独特的层状结构及可交换层间阴离子，通过离子交换、表面络合与配位作用捕获重金属离子，并可通过“记忆效应”实现再生。

图13. LDH的水镁石型结构模型

MgMn-LDO在As(III)和Cd²⁺共存体系中的吸附容量分别达821.7和1895.6 mg/g，通过将As(III)氧化为As(V)后协同吸附Cd²⁺，实现了“一石二鸟”的效果。

图14a-d展示了LDH-DTC600、MgAl LDH-FA、Ac-LB、ZnAl-LDH-BC等材料的吸附机理，涉及螯合、静电吸引、离子交换及表面沉淀等多种机制。

图14. (a) LDH-DTC复合材料的合成及其在污染土壤中重金属固定化应用示意图，(b) 黄腐酸与Mg-Al LDH相互作用，通过络合作用促进重金属（Pb、Cu、Cd、Ni）捕获，(c) 改性LDH基生物炭通过表面络合、离子交换和沉淀去除重金属的机理，(d) 层状双氢氧化物通过表面络合、离子交换、沉淀和同晶取代去除重金属，(e) LDH材料通过络合、取代和沉淀等多功能路径捕获金属离子的示意图。

商业化突破：CaAl-LDH已实现年产3000吨的规模化生产，在重金属污染土壤修复中对Cd²⁺的固定化率达96.9%。

5 MXenes

MXenes是一类具有金属导电性及表面末端官能团（-O、-OH、-F）的二维过渡金属碳/氮化物，通过氧化还原与配位双重机制去除重金属。

图15. 二维MXene片层堆叠的三维原子模型

图16a-f展示了TiVCTx、PAMAM/MXene、MPAC、APTES/BC/MXene、Ti₃C₂Tₓ及SrFe₂O₄/S-MXene的吸附与还原机理。TiVCTx在酸性条件下将Cr(VI)还原为Cr(III)，同时通过静电吸引与配位作用吸附；SrFe₂O₄/S-MXene中S原子与Hg²⁺形成强配位键。

图16. (a) 功能化纳米材料去除Cr(VI)和亚甲基蓝（MB）过程中涉及的吸附与静电相互作用，(b) Cr(VI)在PAMAM/MXene复合材料上通过还原、螯合及静电吸引机制的吸附，(c) 用于金属离子吸附的MCAC复合气凝胶的制备与分子结构（涉及氢键和螯合作用），(d) Pb²⁺和MB吸附中涉及的氢键、离子交换及静电相互作用机制，(e) ML-和DL-Ti₃C₂Tₓ MXene的合成及其通过还原、静电吸引和内层络合去除Pb(II)/Cu(II)，(f) 硫功能化材料通过表面络合、静电相互作用及氧化还原反应去除Hg²⁺。

6 金属有机框架（MOFs）

MOFs具有超高孔隙率、可调孔径及高配位数，依靠静电吸引与配位螯合作用高效捕获重金属离子。

图17. 银基MOF的代表性三维模型。

图18a-c展示了ZIF-8@iCG、UiO-66-GMA和A/M@CDMOF的吸附机理。ZIF-8@iCG通过磺酸基与金属离子之间的静电吸引及螯合作用实现高效吸附；UiO-66-GMA在碱性条件下表面带负电，通过静电吸引与配位键吸附Pb(II)/Cd(II)。

图18. (a) 重金属离子在阴离子表面上附着的静电相互作用机制，(b) Pb(II)和Cd(II)通过接枝分子上官能团的配位作用在UiO-66-GMA上的吸附，(c) 通过β-CD、AA和MBA自组装与交联合成A/M@CDMOF凝胶，通过酯键位点和聚合物水凝胶结构实现金属离子去除。

7 共价有机框架（COFs）

COFs具有共价键连接的周期性网络结构，可通过理性功能化设计引入特定配位基团。

图19. 吡啶基COF的三维原子模型。

DMTD-COF-SH可在10秒内将Pb²⁺浓度从150 μg/L降至2.89 μg/L，远低于WHO饮用水标准。HDU-26在可见光下60分钟内实现99.5%的Cr(VI)还原去除率，循环5次后仍保持97.4%的效率。

总结展望

本文利用二维材料中的配位键合实现高效重金属离子吸附，提供了机理见解与材料组成信息。与此同时，现有多数文献主要关注二维材料对重金属的通用吸附性能。本综述引入了一个新视角，重点强调配位键合的机理、不同材料间的比较分析、多功能材料中的协同效应、选择性与再生机制，以及计算与实验方法的关联。配位键（共价配键）对选择性和强效金属离子吸附至关重要。本文的新颖之处在于探讨了不同二维材料如何提供电子给体/受体位点（如N、O、S官能团或空d轨道），与重金属离子形成配位键。本文还比较了不同二维材料中配位键的强度、性质、可逆性及再生意义。文中对不同类型二维材料进行了批判性分析，以识别其结构-功能关系，指导下一代吸附剂的设计。同时，还研究了配位键与静电吸引、π-π相互作用及范德华力等其他机制协同作用的杂化或复合材料。

实验与计算数据的关联有助于更好理解不同相互作用类型及二维材料对多种金属离子的吸附能力。DFT计算提供了金属离子在二维材料上吸附/脱附、电荷转移、几何结构、配位数等信息。该关联揭示了材料效率及相互作用类型。Materials Studio等计算工具可确定不同金属离子在二维材料上的配位数，评估相互作用强度，通过提供脱附所需能量促进实验工作，从而实现材料重复使用。FTIR、XPS、XRD等技术可帮助验证金属离子是否脱附。此外，等温线和量热法可提供材料与金属离子之间的结合能。实验与计算的联合研究有助于设计和筛选对水溶液中重金属离子具有选择性的材料，从而在宏观层面解决该问题。

本文提供的广泛文献综述全面详细地介绍了用于重金属吸附的二维材料及其复合材料，包括不同pH和温度条件下对多种金属离子的吸附容量比较及吸附机理。复合材料的物理化学和热化学性质最终揭示了离子吸附的基本原理。这种整体性方法旨在帮助研究人员设计针对特定应用的复合材料以及混合二维材料复合材料（如MXene-LDH、GO-LDH、GO-MOF等），通过特定功能化调控增强复合材料的应用性能，同时提供优化工作条件的大量信息。

挑战、商业化障碍、成本、可扩展性及新兴趋势

尽管二维材料通过配位键吸附重金属离子具有良好潜力，但仍存在若干未解决的挑战。主要问题之一是在不同环境条件（包括pH、离子强度和温度）下所形成的配位复合物的稳定性。GO或MXene等多种二维材料容易团聚或氧化，降低了有效表面积和反应活性。除稳定性外，选择性也是提高重金属离子去除效率的关键问题。这些材料的长期使用限制了其可重复使用性，因为潜在的结构变化会导致重金属离子去除能力显著下降。目前对于利用计算工具设计材料以理解分子层面的吸附/脱附机制及选择性仍缺乏足够信息，而这本可以节省化学品、时间和资源。因此，研究人员在推动这些二维材料用于重金属离子去除的商业化方面面临困难。例如，合成MXene的前驱体成本极高，且MOF、石墨炔和石墨二炔的合成需要专用设施。因此，可扩展性是研究人员面临的一个问题。需要弥合小规模或实验室实验与实际废水问题之间的差距，这要求材料具有成本效益高、环境友好的特性。

下一代吸附剂的设计策略

二维材料的高吸附能力源于其官能团、比表面积、层间距、密度、活性位点、孔隙率、缺陷策略及π键的存在等。研究人员应基于HSAB原理开发具有官能团选择性的下一代材料，以实现二维材料上官能团与金属离子之间的有效相互作用。此外，二维材料的复合材料可以克服单一材料的局限性。例如，碳基材料可用于制备与MXene的杂化材料，以提高稳定性并引入更多官能团，实现对金属离子的高效吸附。两种或多种材料在制备杂化材料中的协同效应可以增强二维材料的稳定性、可重复使用性和回收性。此外，二维材料的设计应考虑到对混合体系中特定金属离子的选择性。

未来展望与结论

二维材料在去除重金属离子方面展现出良好前景，因为它们可以基于计算进行设计，并易于调控以引入官能团。计算化学在设计具有特定功能化修饰的MXene、MOF、LDH及碳基材料等材料中发挥着关键作用。Materials Studio可提供材料设计方面的重要信息，确定金属离子的配位数，这是衡量材料效率或潜力的指标。我们可以根据配位数比较所设计材料的潜力。此外，复合材料可以根据其配位数和吸附能进行设计和筛选。进一步地，它还可以确定金属离子的位置——是在材料表面还是在异质结内部。此外，稳定性、导电性、降解性及吸附/脱附信息均可通过计算获得，从而支持从小规模到大规模的湿实验室实验。

本综述探讨了二维材料上富电子官能团与重金属离子空轨道之间配位键的形成，以实现水净化目的。具有高比表面积、孔隙率和官能团的复合材料可提高重金属离子的去除效率。然而，由于水热法等合成方法能耗高，复合材料的可扩展性仍面临挑战。其他问题包括材料稳定性以及吸附剂中金属离子向水中浸出的风险。尽管存在挑战，但二维材料的混合复合材料（如GO/LDH、GO/MXene或MXene/LDH）通过可调功能化和超高吸附容量协同提高了吸附剂的优势性能，为环境修复提供了一条可持续的解决方案。未来，研究人员应重点关注新型绿色合成策略，并结合先进理论模型优化新型复合材料的组成，以应对实际场景中同时去除多种杂质（有机物如染料、无机物如金属离子和盐类、生物杂质如病原体/微生物）的需求。研究还应探索磁性二维材料的优良特性（如易分离性、选择性和可重复使用性），采用理论与实验混合方法筛选和了解各种材料及其复合材料的行为，最终将实验室创新与工业规模应用连接起来，实现实用的水净化方法。