與有機配體復合的重金屬是威脅全球水安全的最重要的致癌物之一。長期以來，現(xiàn)有技術(shù)一直未能高效且經(jīng)濟地去除和回收這些金屬。

2024年12月30日，同濟大學王志偉教授在國際知名期刊Nature Communications發(fā)表題為《Strongly coordinating mediator enables single-step resource recovery from heavy metal-organic complexes in wastewater》的研究論文，Wei Shi為論文第一作者，王志偉教授為論文通訊作者。

王志偉，同濟大學環(huán)境科學與工程學院教授，國家杰青（2019），教育部首批青年長江學者（2015）。2003年和2007年獲得同濟大學學士和博士學位，2008年留校工作，2013年晉升為博導，2014年晉升為教授，2021年擔任環(huán)境科學與工程學院院長。

王志偉教授的研究方向為1. 膜法污水處理/資源化理論與技術(shù)；2. 膜生物反應器處理理論與技術(shù)；3. 工業(yè)園區(qū)污水深度處理與資源化。

在這里，作者展示了一種協(xié)調(diào)基于介體的電還原（CMBER）策略，用于從被重金屬有機復合物污染的廢水中一步回收重金屬。

在CMBER中，與傳統(tǒng)配體相比，偕胺肟具有優(yōu)異的配位能力，通過偕胺肟化反應將其固定到同時充當過濾裝置的流通電極上。

這種獨特的工藝無需外部能量輸入即可自發(fā)地從復合物中捕獲偕胺肟的-N-OH和-NH₂基團上的重金屬離子（偕胺肟介體與 Cu(II) 的ΔG：-6.59?eV），然后直接原位電還原回收金屬。

被捕獲的Cu(II)還原為Cu(0)可再生偕胺肟的活性位點，從而能夠連續(xù)捕獲Cu(II)。

CMBER系統(tǒng)在3?V電壓和250?L m^?2 h^?1水通量下運行，Cu(II)回收率達到97.6%，能源效率為 340.1?g kWh^?1。這種能源效率明顯優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)，提高了近五倍。

CMBER為經(jīng)濟高效的資源回收和水凈化開辟了新維度。

圖1：基于強配位介體的電還原（CMBER）策略用于高效回收重金屬

圖2：偕胺肟介體功能化的電極（APCF）的表征和電化學性能

圖3：CMBER中重金屬-乙二胺四乙酸（EDTA）的捕獲和電化學回收

圖4：CMBER中Cu回收的機制

圖5：CMBER中Cu回收的擬議途徑

圖6：CMBER對Cu(II)回收的適用性分析

綜上，作者介紹了一種名為協(xié)調(diào)基于介體的電還原（CMBER）的策略，用于從含有重金屬-有機復合物的廢水中單步回收重金屬。該研究的成果表明，CMBER系統(tǒng)在3V電壓和250 L m^?2 h^?1的水通量下，實現(xiàn)了97.6%的Cu(II)回收率，并展示了340.1 g kWh^?1的能量效率，顯著優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)，為經(jīng)濟高效的資源回收和水凈化開辟了新的途徑。

CMBER技術(shù)的應用前景廣闊，尤其是在電子、化工和其他工業(yè)領(lǐng)域，這些領(lǐng)域在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生含有重金屬-有機復合物的廢水。該技術(shù)可以作為這些行業(yè)廢水處理的標準解決方案，幫助它們減少環(huán)境污染的同時回收有價值的金屬資源。此外，CMBER技術(shù)還可以應用于芯片制造等實際工業(yè)廢水的處理，顯示出其在現(xiàn)實世界應用中的潛力。隨著對環(huán)保和資源效率的日益關(guān)注，CMBER技術(shù)有望在全球范圍內(nèi)得到推廣和應用。

Shi, W., Li, J., Gao, F.et al.?Strongly coordinating mediator enables single-step resource recovery from heavy metal-organic complexes in wastewater.?Nat Commun?15, 10828 (2024).