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木材变 “碳海绵”！东北林大研发新型复合气凝胶，高效吸附水中镉离子 | MDPI C — Journal of Carbon Research |
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论文标题：Fabrication of Wood-Derived Carbon Aerogel/Mg(OH)2 Bio-Composite and Its High Performance for Adsorption and Separation of Cadmium Ions
论文链接：https://www.mdpi.com/2311-5629/11/2/32
期刊名：C — Journal of Carbon Research
期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/carbon
随着工业快速发展，镉（Cd2+）污染已成为威胁水环境安全的重要问题。传统碳材料吸附容量有限、粉末易流失、难回收，一直制约工程应用。
近日，东北林业大学团队提出绿色新思路：以可再生轻木为原料，制备多级孔碳气凝胶，再原位负载氢氧化镁纳米片，构建出兼具高吸附容量、易分离、可循环的WCAMg 复合吸附剂，在含镉废水处理中表现出优异性能。相关成果发表于碳材料研究期刊《C》，为生物质基碳材料在重金属废水深度净化中的应用提供了新方案。
一、痛点：镉污染治理难，传统吸附材料有短板
镉离子毒性强、易在生物体内富集，长期超标可引发肝肾损伤、骨质疏松等健康风险。吸附法因操作简单、成本低，是主流治理技术，但现有材料普遍存在短板：
• 粉末碳材料易流失、造成二次污染；
• 吸附容量偏低，难以应对高浓度废水；
• 回收困难，循环稳定性差。
木材具有天然三维通道结构，碳化后可形成自支撑碳气凝胶，无需黏结剂、易打捞回收，是理想的吸附基体。但纯木基碳气凝胶对重金属的选择性与吸附量仍有提升空间。为此，团队采用“碳骨架 + 功能纳米片”协同策略，实现性能跨越式升级。
二、突破：木基碳气凝胶负载氢氧化镁，吸附量提升 10 倍
研究团队以轻木为原料，经脱木素 — 冷冻干燥 — 高温碳化制备出多级孔木基碳气凝胶（WCA），再通过温和液相沉积，在碳骨架表面均匀生长Mg (OH)2纳米片，得到复合吸附剂 WCAMg。
表征结果显示，碳气凝胶保持木材原本的多级孔道与纤维结构，比表面积大、通道丰富；Mg (OH)2以纳米片形态垂直生长于骨架表面，提供大量活性位点。
性能测试数据亮眼：
• 最优样品WCAMg-2对 Cd2+的最大吸附容量达 351.1 mg/g；
• 是纯木基碳气凝胶（33.3 mg/g）的10 倍以上；
• 在低浓度下，去除率超 99.9%，出水满足国家一级排放标准；
• 吸附过程以化学吸附为主，符合 Langmuir 单层吸附模型。
三、机理：沉淀 + 吸附双机制，耐盐、可循环、不造成二次污染
团队结合 XRD、XPS、SEM-EDS 等揭示了高效吸附机理：
1.Mg (OH)2释放 OH-，与 Cd2+生成Cd (OH)2沉淀；
2.水体中 CO32-与 Cd2+形成CdCO3沉淀，被固定在碳骨架上；
3.三维碳网络包裹固定沉淀物，不分散、不造成二次污染。
更具应用价值的是：
• 耐盐性强：Na+、K+等干扰离子几乎不影响吸附效果；
• 真实水体适用：在松花江水配制的模拟废水中，去除率仍超 99.99%；
• 循环稳定：连续 6 次吸附–解吸，效率基本保持不变；
• 易分离：整体块状气凝胶，用镊子即可取出，无需过滤离心。
四、前景：可再生生物质材料，助力绿色水处理
该研究以可再生木材为碳源，制备工艺绿色、原料易得、成本可控，所开发的 WCAMg 复合气凝胶实现了 “高容量、高选择性、易回收、强稳定” 的统一。
成果不仅提升了木基碳气凝胶在重金属治理中的性能天花板，也为工业废水、矿山废水、农田面源污染等场景的深度净化提供了新材料与新策略，对推动生物质基功能材料在环境治理领域的实用化具有重要意义。
相关论文信息：
An, R.; Liu, J.; Ma, H.; Yan, Y.; Guo, Y.; Pan, Q.; Li, S. Fabrication of Wood-Derived Carbon Aerogel/Mg(OH)2 Bio-Composite and Its High Performance for Adsorption and Separation of Cadmium Ions. C 2025, 11, 32. https://doi.org/10.3390/c11020032
C 期刊介绍
主编：Prof. Dr. Craig E. Banks，Manchester Metropolitan University， UK
期刊全称为 C — Journal of Carbon Research，是聚焦碳材料及碳研究的国际性、开放获取的期刊，研究范围涵盖碳材料与碳同素异形体、碳材料的性质、表征及应用，二氧化碳利用与转化，碳循环、碳捕获与储存，碳骨架等。
目前，期刊已被 Scopus、ESCI、DOAJ、CAS 等重要数据库收录。同时，根据中国科学院文献情报中心最新发布的《GoOA 2024 年 OA 期刊白名单报告》，本刊亦成功入选该白名单。
2024 Impact Factor：2.9, Q3 in Materials Science, Multidisciplinary
2024 CiteScore：3.4, Q2 in Environmental Science (miscellaneous), and Materials Science (miscellaneous)
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