ZIF-8修饰的生物炭在重金属污染废水处理方面具有巨大潜力，这得益于ZIF-8优异的吸附性能。然而，制备过程中天然孔隙不可避免地会发生堵塞，限制了吸附性能的提升和进一步的实际应用。本文提出了一种新的Zn(NO3)2活化结合原位生长策略，用于制备多孔ZIF-8修饰的生物炭（AI-BC@ZIF-8）。该策略能够协同促进生物炭的多孔结构和ZIF-8的分布，从而提升吸附效果。AI-BC@ZIF-8对Pb的吸附容量达到249.63 mg/g，对含50 mg/L Pb的废水去除效率可达99.8%。吸附过程符合伪二级动力学模型和朗缪尔等温模型，表明其吸附机制为单层化学吸附。FTIR、BET和XPS分析结果表明，AI-BC@ZIF-8的吸附机制包括静电作用、N原子配位、沉淀、离子交换和孔隙填充。总体而言，这种吸附剂表现出优异的吸附性能，在高效低成本的水净化方面具有巨大潜力。本研究为合成高孔隙率、高效的重金属去除生物炭提供了可行方案。
Pb是一种具有高毒性的典型重金属，由于其广泛应用而在水环境中频繁被检测到。Pb常用于电池制造、金属电镀、颜料和冶炼[1]，这些工业活动会产生大量高浓度含铅废水，严重污染水源[2]。Pb污染的废水会在环境中积累并通过食物链传播，最终对人体健康造成不可逆的伤害，包括神经系统损伤[3]、大脑发育问题[4]、行为障碍[4]、高血压[5]和肾脏损伤[6]等，同时由于其不可生物降解性、生物累积性和持久性，还会破坏生态平衡[7]。因此，从废水中去除残留的Pb显得尤为紧迫。
已开发出多种先进技术用于废水中的Pb去除，如电化学方法[8]、离子交换[9]和膜分离[3]，但这些方法在实际应用中仍存在局限性，主要表现为净化效率不足、运行成本高和二次污染[10]。相比之下，吸附方法因其简单性、安全性、经济可行性和高效性而得到广泛应用[11]。各种吸附剂（如生物炭[12]、石墨烯、沸石、金属有机框架（MOFs）[13]和碳纳米管[14]的发展进一步推动了吸附方法的应用，使其能在不同环境条件下发挥作用。特别是生物炭，由于其丰富的资源、成本效益和高比表面积[15]，近年来在环境污染治理领域展现出巨大潜力。然而，由于生物炭的比表面积有限、化学性质不够理想和吸附效率不高，其应用受到限制[16]。表面改性已成为提高生物炭吸附性能的有效途径。
金属有机框架（MOFs）因其可调的孔隙率和表面性质、丰富的功能性和多样的配位方式而受到关注[17]。ZIF-8具有极高的比表面积和孔隙率[18]，对重金属具有优异的吸附能力[19]。例如，Khosravi等人[20]通过溶剂分解法合成了乙二胺修饰的ZIF-8（ZIF-8-EDA），其Cd去除效率为93.5%。Wang等人[21]制备了Co/Zn双金属有机框架材料（Co-ZIF-8），对As5+的吸附性能优异（250.088 mg/g），解决了单层ZIF-8吸附能力不足的问题。此外，构建ZIF-8复合材料是提升其吸附性能的有效策略。特别是通过生物炭表面改性制备ZIF-8/BC复合材料，可显著提高ZIF-8和BC的吸附性能。Luo等人[22]采用表面复合法制备了BC/ZIF-8，其对硼的吸附容量达到44 mg/g，比ZIF-8提高了76%。Liang等人[23]通过将ZIF-8沉淀在咖啡渣生物炭（BC）上制备了ZIF-8@BC，其对Cr的吸附容量高达1080.4 mg/g，远高于ZIF-8和BC单独使用时的效果。上述研究表明，ZIF-8-生物炭复合材料对多种污染物具有优异的吸附性能。然而，由于ZIF-8颗粒粒径小且表面能高[24]，表面复合过程中容易发生颗粒聚集，导致孔隙率降低，从而限制了其去除效率。
为了解决ZIF-8和生物炭结合后颗粒聚集的问题，研究人员尝试通过活化结合沉淀的方法提高ZIF-8的分散性和优化孔结构。Song等人[25]采用原位生长策略，在海藻酸盐支架上生长ZIF-8（NH4HCO3活化），制备了核壳结构P-SMG@ZIF-8，其对Cu的吸附容量达到83.5812 mg/g。Ma等人[26]使用磁化菠萝叶作为载体（KOH活化），通过溶液沉淀法制备了ZIF-8修饰的磁性吸附剂ZMPLB-800，其对亚甲蓝的吸附容量为445.98 mg/g。这些研究表明，生物炭的活化可以改善其孔结构并增加比表面积。然而，ZIF-8在活化后的沉淀过程会导致孔隙堵塞，因此在优化生物炭孔结构和ZIF-8均匀生长之间存在平衡问题。
基于上述问题，我们开发了一种Zn(NO3)2活化结合原位生长策略，以协同调节生物炭的孔结构和ZIF-8的均匀生长。选择Zn(NO3)2作为双功能活化剂，硝酸根离子具有活化蚀刻的作用，可改善生物炭的孔结构；Zn作为原位生长位点，使高度分散的ZnO原位转化为ZIF-8。与其他活化方法（如KOH、H₃PO₄）相比，硝酸锌活化避免了额外添加活化剂的需求。本研究旨在：（i）验证Zn(NO3)2活化生物炭及Zn原位转化为ZIF-8的可行性；（ii）验证ZnO是否能在非均相溶液中转化为ZIF-8；（iii）通过SEM、XRD和FT-IR阐明AI-BC@ZIF-8体系在复杂水环境中吸附Pb的详细机制。该方法有助于减少孔隙堵塞和颗粒聚集，从而推动生物炭和金属有机框架复合材料在可持续环境修复中的实际应用。
材料
玉米秸秆（80–100目）。分析级硝酸锌（Zn(NO3)2‧6H2O）和2-甲基咪唑购自Aladdin Reagent Co., Ltd。铅（Pb）标准溶液（1000 mg/L）由Sinopharm Chemical Reagent Co. Ltd.提供。甲醇（CH3OH）由中国医药化学试剂有限公司提供。将硝酸铅溶解在去离子水中制备了1050 mg/L的Pb储备溶液。实验中使用的溶剂均使用实验室制备的去离子水（D·W）。
生物炭的制备
生物炭（BC）是通过热解玉米秸秆制备的。
AI-BC@ZIF-8的表征
图2a-b显示了BC的SEM图像，其表面相对光滑，结构复杂度较低，这反映了生物炭的低比表面积和有限孔隙率。相比之下，BC@ZIF-8的SEM图像（图2c-d）显示表面出现了孔隙，这些孔隙可能是初始炭化过程形成的，有助于后续改性的进行。
结论
本研究通过Zn(NO3)2活化结合原位生长策略制备了AI-BC@ZIF-8-3-300°C，其比表面积为131.17 m2/g（是原始BC的2.7倍，是传统沉淀法制备的BC@ZIF的6.1倍），对Pb2+的吸附容量为249.63 mg/g（是原始BC的1.7倍，是传统沉淀法制备的BC@ZIF的1.2倍）。AI-BC@ZIF-8对Pb2+的吸附过程符合...
CRediT作者贡献声明
姜颖：撰写初稿、实验研究、数据分析。
王Wanting：撰写、审稿与编辑、数据可视化。
罗贵春：实验研究、数据管理。
李永贵：实验研究、数据管理。
董亚鹏：实验研究、数据管理。
左秀媛：撰写、审稿与编辑、数据可视化。
梁海：撰写、审稿与编辑、项目监督、资金申请。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了营口理工学院创新研究团队计划（TD202502）、辽宁省教育厅高校基础科学研究计划（LJ212414435011）、营口市博士企业合作研究项目（YKSCJH2024-027）和辽宁省人才振兴计划（XLYC2007185）的支持。
