γ-AlO(OH)/MgAl-LDH-Komposit: Rekordhohe Adsorption von Methylorange und nachhaltige Wiederverwendung

Zusammenfassung

Wir berichten über eine one-pot-hydrothermale Synthese, die nanonadelartiges γ-AlO(OH) in MgAl-LDH-Schichten einbettet und ein Heterostruktur mit außergewöhnlicher Adsorption von Methylorange (MO) ergibt. Der Schichtabstand expandiert von 7,6 Å auf 8,77 Å, während reichlich -OH-Gruppen die Chemisorptionskinetik verbessern. Das Komposit entfernt 1000 mg L⁻¹ MO vollständig innerhalb von 210 min und erreicht eine Langmuir-Kapazität von 4681,40 mg g⁻¹ – der höchste je für LDH-basierte Adsorbentien berichtete Wert. Nach vier Adsorptions-Desorptionszyklen bleibt die Kapazität über 760 mg g⁻¹, was robuste Recyclingfähigkeit demonstriert.

Einleitung

Organische Farbstoffe, allgegenwärtig in Textilien, Leder und Farben, stellen bei Einleitung in Gewässer schwere Umweltbedrohungen dar. Ihre hohe Polarität, niedrige Flüchtigkeit und Resistenz gegen biologischen Abbau machen sie schwer entfernbar. Konventionelle Methoden (Photokatalyse, biologische Oxidation, Membranfiltration) sind energieintensiv oder kostspielig. Physikalische Adsorption, besonders mit geschichteten Doppelhydroxiden (LDHs), bietet eine einfache, kosteneffektive Alternative aufgrund ihrer hohen Anionenaustauschkapazität und einstellbaren Oberfläche.

Jüngste Fortschritte zeigten, dass das Einfügen organischer oder anorganischer Spezies zwischen LDH-Schichten die Adsorption weiter steigern kann. γ-AlO(OH) mit seiner hohen spezifischen Oberfläche und reichlich Hydroxylgruppen ist ein idealer Kandidat für Interkalation. Hier demonstrieren wir seine erfolgreiche Integration in MgAl-LDH, wodurch ein Komposit entsteht, das expandierten Schichtabstand und verstärkte -OH-Aktivität kombiniert und rekordverdächtige Adsorptionsleistung liefert.

Methoden

Herstellung von γ-AlO(OH)/MgAl-LDH

Mg(NO₃)₂·6H₂O (4,615 g) und Al(NO₃)₃·9H₂O (3,376 g) wurden in 50 ml DI-Wasser gelöst. NaOH (2,516 g) wurde in 25 ml DI-Wasser gelöst, um pH 10 beizubehalten. Die beiden Lösungen wurden tropfenweise zu 25 ml DI-Wasser unter starkem Rühren bei 60 °C gegeben, dann versiegelt und 10 h bei 140 °C erhitzt. Der resultierende Schlamm wurde gewaschen, lyophilisiert und gelagert. Reines MgAl-LDH und γ-AlO(OH) wurden identisch zum Vergleich synthetisiert.

Charakterisierung

Phasenidentifikation: XRD (Cu Kα, 5–80°). Morphologie: FESEM (S4800, 5 kV) und TEM (JEM-2100F, 200 kV). Oberflächenchemie: FTIR (4000–400 cm⁻¹) und XPS (ESCALAB 250Xi). Porosität: N₂-Adsorption-Desorption (BET, BJH). Optische Eigenschaften: UV-Vis und Photolumineszenz (Varian). Kinetic und Isothermenstudien verwendeten Standardgleichungen für Pseudo-Erst-/Zweitordnung und Langmuir/Freundlich-Modelle.

Adsorptionsversuche

50 mg Adsorbens wurde in 50 ml 1000 mg L⁻¹ MO-Lösung (pH 3) gerührt. Zu vorgegebenen Zeitpunkten wurden 3 ml Aliquots zentrifugiert; die Absorption des Überstandes wurde bei 463 nm gemessen. Gleichgewichts- und momentane Adsorptionskapazitäten wurden über qₜ = (C₀–Cₜ)V/m und qₑ = (C₀–Cₑ)V/m berechnet.

Desorption und Regeneration

Nach Adsorption wurden Proben mit DI-Wasser, dann mit 30 % Ethanol gewaschen und lyophilisiert. Wiederholte Adsorptions-Desorptionszyklen bewerteten die Recyclingfähigkeit.

Ergebnisse und Diskussion

Strukturelle Charakterisierung

XRD bestätigte das Vorhandensein sowohl von MgAl-LDH als auch γ-AlO(OH). Der (003)-Peak verschob sich von 11,63° (7,6 Å) auf 10,09° (8,77 Å), was expandierten Schichtabstand anzeigt. FESEM/TEM zeigten Nanoschicht-MgAl-LDH-Schichten, durchsetzt mit Nanonadel-γ-AlO(OH). HRTEM-Gitterstreifen (0,235 nm, 0,152 nm) entsprechen γ-AlO(OH) (031) und MgAl-LDH (110). EDX-Mapping zeigte homogene Elementverteilung.

Einfluss des pH

Optimale Adsorption trat bei pH 3 auf; Kapazität sank bei höherem pH aufgrund reduzierter elektrostatischer Anziehung. Bei pH 3 wurde die Lösung nach 210 min klar, was vollständige Farbstoffentfernung bestätigt.

Adsorptionskinetik

Alle Proben zeigten schnelle initiale Aufnahme. γ-AlO(OH)/MgAl-LDH erreichte eine Gleichgewichtskapazität von 1000 mg g⁻¹ (MO-Konzentration 1000 mg L⁻¹) versus 183,3 und 155,5 mg g⁻¹ für γ-AlO(OH) und MgAl-LDH. Pseudo-zweitordnungs-Fitting (R² > 0,99) deutete auf Chemisorption als geschwindigkeitsbestimmenden Schritt hin.

Isothermenanalyse

Langmuir-Fits ergaben qₘ = 4681,40 mg g⁻¹, K_L = 4,62 × 10⁵ L mg⁻¹ für das Komposit, weit überlegen gegenüber γ-AlO(OH) (1492,5 mg g⁻¹) und MgAl-LDH (769,2 mg g⁻¹). Freundlich-Konstanten bestätigten weiter starke Adsorptionsaffinität.

Adsorptionsmechanismus

BET-Oberflächen (MgAl-LDH = 14,1 m² g⁻¹; γ-AlO(OH) = 95,9 m² g⁻¹; Komposit = 34,1 m² g⁻¹) zeigen, dass Kapazität nicht allein durch Oberfläche getrieben wird. Stattdessen erlaubt der expandierte (003)-Ebenen MO-Anionen, via Ionenausschleusung zu interkalieren, belegt durch neue XRD-Peaks und einen 3,22 Å Schichtabstandsanstieg nach Adsorption. Zeta-Potenzial-Messungen (γ-AlO(OH)/MgAl-LDH = +43 mV bei pH 3) deuten auf eine stark positiv geladene Oberfläche hin, die anionische Farbstoffe stark anzieht. FTIR- und XPS-Analysen zeigen Wasserstoffbrückenbindung und Chemisorption an -OH-Stellen, konsistent mit Pseudo-zweitordnungs-Kinetik.

Recyclingfähigkeit

Nach vier Adsorptions-Desorptionszyklen behielt das Komposit 762 mg g⁻¹ Kapazität (>76 % des Initialwerts), was langlebige Leistung bestätigt.

Schlussfolgerung

Wir haben ein γ-AlO(OH)/MgAl-LDH-Heterostruktur via single-pot-hydrothermaler Route entwickelt, das beispiellose Adsorption von Methylorange liefert, mit einer Langmuir-Kapazität von 4681,40 mg g⁻¹ und vollständiger Farbstoffentfernung innerhalb 210 min. Das synergistische „raumbegrenzte“ Wachstum von γ-AlO(OH) und reichlich Hydroxylgruppen untermauern die überlegene Kinetik und Kapazität. Das Material bleibt hoch recyclingfähig, behält >76 % Kapazität nach vier Zyklen. Seine starke positive Oberflächenladung und robuste Struktur machen es zu einem vielversprechenden Kandidaten für die Behandlung anionischer Farbstoffverschmutzungen und potenziell als Träger für Photokatalysatoren.