第一作者：南鑫达
通讯作者：李长霞、陈虹宇
第一单位：南京工业大学
研究亮点
1.提出全新的“分子共吸附（Molecule co-adsorption）”策略，无需复杂共价修饰即可构建高效阴离子吸附位点。
2.实现目前最快的99TcO4⁻/ReO4⁻吸附动力学，5秒内即可完成 >99%去除，吸附速率较原始活性炭提升约17000倍。
3.同时兼具超快传质、高选择性、强抗干扰、优异抗辐照稳定性与低成本规模化潜力。
研究背景
放射性高锝酸根（99TcO4⁻）是核废水中最难处理的阴离子之一，具有高溶解性、强迁移性以及长达 2.1×105 年的半衰期。一旦进入地下水环境，将造成长期放射性污染，因此开发高效去除99TcO4⁻的材料具有重要意义。
近年来，MOFs、COFs以及聚合物等材料被广泛用于99TcO4⁻去除研究。尽管这些材料能够提供较高吸附容量，但普遍存在合成复杂、成本高、孔道扩散慢以及难以规模化等问题。尤其是，传统均一微孔结构虽然有利于提高吸附亲和力，却往往限制离子快速传输，因此“高亲和吸附”与“快速传质”之间长期存在难以兼顾的矛盾。
研究成果
南京工业大学李长霞课题组联合西湖大学陈虹宇课题组、苏州大学王殳凹课题组，利用商业活性炭丰富的分级孔结构，将廉价阳离子染料亚甲基蓝（MB）限域于孔道内部，构建得到新型AC-MB吸附剂。该材料在无需复杂化学修饰的条件下，实现了对ReO4⁻/99TcO4⁻的超快速、高选择性吸附。
实验结果表明，AC-MB在5秒内即可完成超过99%的ReO4⁻去除，吸附速率较原始活性炭提高约17000倍，并刷新了目前99TcO4⁻吸附材料的动力学纪录。同时，该材料在高浓度SO4²⁻、NO3⁻干扰下仍表现出优异选择性，并具备优异的耐酸碱性、抗 β/γ 辐照稳定性及循环稳定性。
图1. (a)共吸附策略示意图，(b)本研究中六种染料分子的结构式。
研究思路与具体研究结果讨论
研究团队首先从“孔道功能调控”出发，希望在不破坏活性炭原有分级孔结构的前提下，为材料引入高效阴离子吸附位点。与传统复杂共价修饰不同，研究人员创新性地提出：直接利用“共吸附”作用，将带正电的功能分子限域于孔道内部。
为此，团队系统筛选了六种廉价阳离子染料，包括 MB、RHB、R6G 等，最终发现亚甲基蓝（MB）在吸附性能、稳定性及经济性之间达到最佳平衡。通过简单搅拌吸附即可完成 AC-MB 的制备，无需有机溶剂和复杂反应。
最令人惊喜的是其超快吸附动力学性能。在相同条件下，原始活性炭需要约 24 h才能达到吸附平衡，而AC-MB在1秒内即可完成 88% 的 ReO4⁻ 去除，并在 5秒内达到超过 99%的去除率。这一结果不仅比原始活性炭快约 17000 倍，也显著优于目前已报道的大多数 MOF/COF 吸附材料。
研究人员认为，这种超快动力学来源于“分级孔快速扩散”与“阳离子位点快速捕获”之间的协同效应：大孔和介孔负责快速输运阴离子，而 MB 提供的正电位点则实现精准吸附。
图2. AC-MB 对 ReO4⁻ 的超快速吸附动力学
除了速度优势，AC-MB 还展现出极强的抗干扰能力。在真实核废水环境中，SO4²⁻、NO3⁻ 等竞争阴离子的浓度通常远高于99TcO4⁻。然而，即使在10000倍SO4²⁻干扰条件下，AC-MB 仍保持超过 96% 的 ReO4⁻去除率，表现出优异的选择性。此外，在pH 3–10范围以及1 M HNO3、1 M NaOH等极端条件下，材料仍保持稳定吸附性能。
图3. AC-MB 的选择性与环境适应能力
考虑到核废水处理的特殊应用环境，研究团队进一步评估了材料的抗辐照性能。结果表明，即使经过高达600 kGy 的 β/γ 射线辐照后，AC-MB的吸附容量与动力学性能几乎没有下降，显示出极强的结构稳定性与实际应用潜力。
为了进一步揭示其吸附机制，研究人员结合XPS和DFT理论计算进行了深入分析。结果表明，吸附过程中MB中的Cl⁻会与ReO4⁻发生阴离子交换，同时MB带正电的含氮位点与ReO4⁻/99TcO4⁻之间形成强静电相互作用，从而实现高效捕获。
图4. AC-MB对ReO4⁻的吸附机制解析
图5. AC-MB 与已报道吸附材料的综合性能比较
研究小结
该工作提出了一种简单而高效的“分子共吸附”策略，通过将廉价阳离子染料限域于活性炭分级孔道中，成功实现了对99TcO4⁻/ReO4⁻ 的超快速、高选择性吸附。该策略突破了传统吸附材料中“高亲和力”与“快速传质”难以兼顾的瓶颈，在实现国际领先吸附动力学的同时，还兼具优异的抗干扰能力、抗辐照稳定性以及低成本规模化优势。
更重要的是，“分子共吸附”策略具有良好的普适性，未来有望拓展至 PFAS、重金属离子以及其他放射性污染物的高效去除，为环境修复与核废水处理领域提供新的研究方向。
参考文献信息：
Xinda Nan, et al. Molecule co-adsorption as a means to modulate hierarchical porous carbon for ultrafast and selective removal of 99TcO4⁻/ReO4⁻. Chemical Engineering Journal 539 (2026) 177017. https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.177017.
