[发明专利]一种三维多孔硫化铜气凝胶及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种三维多孔硫化铜气凝胶，所述气凝胶具有介孔‑微孔结构；且所述气凝胶中，硫化铜纳米晶均匀分布在整个三维网络结构上。该气凝胶可实现快速、高效、选择性富集分离水样中痕量汞离子。本发明还公开了该气凝胶的制备方法和应用。

技术领域

本发明涉及气凝胶及水环境分析检测技术领域。更具体地，涉及一种三维多孔硫化铜气凝胶及其制备方法和应用。

背景技术

气凝胶，一种三维(3D)网络材料，由于其优越的物理特性(例如超低密度，巨大的开放互连孔隙和高表面积)而引起了极大的科学和技术兴趣。在过去的几年中，由各种纳米颗粒制成的气凝胶已被证实可以将纳米世界与宏观材料连接起来。此类三维网络结构与所需纳米晶体组装在一起，使其适合于各种应用领域，包括催化、能量存储、传感器和污染物分析等。最典型的气凝胶是氧化物，包括二氧化硅、主族或过渡金属氧化物等。非氧化物气凝胶，主要是硫属化物气凝胶(chalcogel)，可以继承母体非氧化材料的固有特性，同时保持三维多孔气凝胶的特性。因此，硫属化合物气凝胶进一步产生了放大的特征，例如多孔结构、表面极化率和出色的化学选择性。数据显示，各种金属硫化物已被用于设计各种硫属化合物气凝胶，证明了其比常规气凝胶具有更高的性能和新的应用潜力，例如在能量转换、催化和传感器等等。

水体中重金属污染一直是全球长期以来高度关注的环境问题。其中汞是一种对环境和人类健康有严重危害的典型重金属污染物，也是世界卫生组织(WHO)强调的最毒以及可持续性最强的重金属之一。因此，如何检测、监测、分析以及处理水体中汞离子是生态环境评价和环境保护的重要任务。目前，分析污染水样中汞含量的方法有电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)、电感耦合等离子体发射光谱-质谱(ICP-OES-MS)和原子吸收光谱仪(AAS)等。然而，由于水样污染物组分相当复杂，待测目标污染物浓度可能极低，所以这些分析设备往往无法直接用于水样中汞离子的分析检测。因此，有必要对环境水样进行特定的预富集。

在整个富集过程中，最重要的是预富集材料。预富集材料的富集效率、选择性以及富集分离操作便捷性等对于预处理过程尤为关键。近年来，富集材料快速发展，包括多孔碳、多孔二氧化硅、壳聚糖和金属有机骨架材料等。一些基于硫的材料也已用于捕获汞，显示出高吸附能力。不幸的是，这些材料仍然面临一些挑战，包括缓慢的吸附动力学和对目标物质的不佳的吸附选择性。另外，由于这些纳米材料通常是粉末，通常难以分离。最近，我们课题组报道了一系列硫化铜(CuS)纳米结构材料(Hu,M.；Tian,H.；He,J.,UnprecedentedSelectivity and Rapid Uptake of CuS Nanostructures toward Hg(II)Ions.ACS ApplMater Interfaces 2019,11(21),19200-19206)。这一系列材料不仅可以达到单一选择性吸附富集汞离子的目的，也可以实现快速吸附富集(1min)。然而，其实际应用还面临一些挑战，包括纳米结构材料产率低、比表面积不够大、孔结构少，粉体颗粒细小导致分离困难等等。

发明内容

为了实现快速、高效、选择性富集分离水样中痕量汞离子，本发明的第一个目的在于提供一种三维多孔硫化铜气凝胶。

本发明的第二个目的在于提供一种三维多孔硫化铜气凝胶。该方法合成条件简单，操作方便。

本发明的第三个目的在于提供一种三维多孔硫化铜气凝胶的应用。该气凝胶在秒级时间内可实现水体中汞离子的99％富集率，富集效率非常高，最大吸附量达到3667mg g^-1。

为达到上述第一个目的，本发明采用下述技术方案：

一种三维多孔硫化铜气凝胶，所述气凝胶具有介孔-微孔结构；且所述气凝胶中，硫化铜纳米晶均匀分布在整个三维网络结构上。

进一步地，所述硫化铜纳米晶尺寸为3-5nm。

进一步地，所述气凝胶的比较面积为140～180m² g^-1。