廈門大學Angew：光驅動高效金回收

聚多巴胺功能化共價有機框架材料引領電子廢物資源化利用

隨著人工智能與信息技術的飛速發展，全球對算力的需求激增，硬件更新迭代加速，導致電子廢物數量急劇上升。預計到2030年，全球電子廢物年產量將達7470萬噸，而目前僅有約22.3%得到回收。電子廢物中富含金等貴金屬，因其優異的導電性、延展性和化學穩定性，在電子工業中不可或缺。然而，金在自然礦石中儲量有限且不可再生，開發高效、環保的二次資源回收技術，對于推動循環經濟和資源可持續利用至關重要。

近日，廈門大學彭麗副教授、李軍教授和楊述良教授合作，成功設計出一種聚多巴胺功能化的β-酮烯胺連接共價有機框架復合材料（TATP/PDA），并結合光輔助策略，實現了高效的金回收。該材料在光照下表現出卓越的吸附容量（5220 mg·g?1）、超快吸附動力學（30秒內去除率>99%）以及在復雜基質中的高選擇性。實驗表明，材料中豐富的氮、氧活性位點及其固有的光催化還原能力顯著提升了金的吸附性能。此外，吸附金后的復合材料可直接作為高效的光催化劑用于產氫反應，實現了“回收—催化”雙功能一體化，為電子廢物的資源化利用與綠色循環經濟提供了新途徑。相關論文以“Light-Promoted Efficient Gold Recovery Enabled by a Polydopamine-Functionalized Covalent Organic Framework”為題，發表在

Angew

材料設計與結構表征

研究團隊通過溶劑熱法合成出β-酮烯胺連接的TATP共價有機框架，并進一步通過原位氧化聚合法將聚多巴胺引入其多孔結構中，得到TATP/PDA復合材料。X射線衍射圖譜顯示，引入PDA后材料仍保持完好的晶體結構。紅外光譜中羥基峰的寬化和紅移證實了材料內部氫鍵的形成。掃描與透射電鏡圖像顯示，TATP呈現均勻的納米線形貌，而TATP/PDA則顯示出更致密的層狀堆疊結構，表明二者之間存在強相互作用。氮氣吸附測試表明，TATP的比表面積高達1172 m2·g?1，引入PDA后雖略有下降，但仍保持高孔隙結構。X射線光電子能譜進一步證實了PDA的成功引入以及材料中豐富的氮、氧活性位點。

示意圖1：TATP/PDA的制備示意圖。

圖1：TATP與TATP/PDA的表征。 (a) TATP的PXRD圖譜及Pawley精修結果。 (b) TATP與TATP/PDA的PXRD圖譜對比。 (c) PDA、TATP與TATP/PDA的紅外光譜。 (d) TATP的SEM圖像（插圖為實際粉末樣品照片）。 (e) TATP/PDA的SEM圖像（插圖為實際粉末樣品照片）。 (f) TATP/PDA的TEM圖像。 (g) TATP與TATP/PDA在77K下的氮氣吸附-脫附等溫線。 (h) TATP與TATP/PDA的高分辨率N 1s XPS譜圖。 (i) TATP與TATP/PDA的高分辨率O 1s XPS譜圖。

光電性能與能帶結構

紫外-可見漫反射光譜顯示，TATP/PDA的吸收邊帶發生紅移，光學帶隙降至2.28 eV，表明其可見光響應增強。莫特-肖特基測試證實材料為n型半導體，其導帶電位足以驅動金離子的還原。光致發光光譜顯示TATP/PDA的熒光強度顯著淬滅，熒光壽命縮短，說明光生載流子分離效率提高。光電流響應與電化學阻抗測試進一步表明，該復合材料具有優異的光電轉換能力和較低的電荷轉移電阻，為光促進金還原提供了有力支持。

圖2：TATP與TATP/PDA的光電性能。 (a) TATP與TATP/PDA的紫外-可見漫反射光譜。 (b) TATP與TATP/PDA的能帶結構示意圖。 (c) TATP與TATP/PDA的光致發光光譜。 (d) TATP、TATP/PDA與TATP/PDA-Au在光開關循環下的光電流響應曲線。 (e) TATP、TATP/PDA與TATP/PDA-Au的奈奎斯特圖。 (f) TATP/PDA在黑暗與光照條件下的EPR導帶電子的光譜。

金吸附性能與機理

在光照條件下，TATP/PDA對金的最大吸附容量達5220 mg·g?1，較黑暗條件下提升4.1倍，并顯著優于純PDA和原始TATP。吸附過程符合Langmuir模型，表明為單層化學吸附。動力學實驗顯示，在50 ppm金溶液中，材料30秒內即可去除99%以上的金離子，且在實際低濃度體系中仍保持極高去除率。材料在pH 1–10范圍內均保持高效吸附，其zeta電位分析表明在酸性條件下通過靜電作用高效捕獲[AuCl?]?陰離子。在含多種競爭離子的模擬電子廢物浸出液中，TATP/PDA對金的選擇性吸附率超過99%，分配系數高達8.6×10? mL·g?1，展現優異分離能力。經過十次循環使用后，吸附性能仍保持98%以上，結構穩定。

圖3：金回收性能。 (a) TATP與TATP/PDA在黑暗與光照條件下對Au(III)的吸附等溫線。 (b) 初始濃度為1000 ppm Au(III)的吸附動力學性能。 (c) 在50 ppm Au(III)溶液中的提取速度。 (d) TATP/PDA在不同pH下的回收效率。 (e) TATP/PDA在不同pH下的Zeta電位。 (f) TATP/PDA在光照下對多競爭離子共存體系中不同金屬離子的回收效率。 (g) TATP/PDA的分配系數與分離系數。 (h) TATP/PDA在十次吸附循環中的金回收效率。 (i) 使用30 mg吸附劑在60 mL 100 ppm Au(III)水溶液吸附金后TATP/PDA的PXRD圖譜。

吸附機制與材料再生

透射電鏡、高角環形暗場掃描透射電鏡及X射線光電子能譜分析表明，金離子在材料表面被還原為金納米顆粒，并進一步生長為較大顆粒。光照射下，材料產生的超氧自由基參與還原過程，金主要以Au(0)和Au(I)形式存在。氮、氧官能團通過配位與氫鍵作用捕獲金離子，隨后在光與化學還原協同作用下轉化為金屬金。該過程實現了“吸附—還原—成核—生長”的連續機制。

圖4：金吸附后TATP/PDA的表征。 (a) 金吸附后TATP/PDA的HAADF-STEM圖像及相應的EDX元素分布圖。 (b) 金吸附后TATP/PDA的TEM圖像。 (c) 金吸附后TATP/PDA的HRTEM圖像。 (d) 金吸附后TATP/PDA的SEM圖像。 (e) 不同條件下TATP/PDA與TATP/PDA-Au的EPR光譜中O??的代表性信號。 (f) 金吸附前后TATP/PDA的XPS全譜。 (g) 黑暗與光照條件下TATP/PDA-Au的Au 4f XPS譜圖。 (h) 金吸附前后TATP/PDA的O 1s XPS譜圖。 (i) 金吸附前后TATP/PDA的N 1s XPS譜圖。 (j) TATP/PDA吸附金的機制示意圖。

實際電子廢物處理與資源化應用

在實際廢棄CPU浸出液處理中，TATP/PDA對金的提取率超過90%，且金純度高于99.3%。更值得一提的是，載金后的TATP/PDA可直接作為光催化劑用于產氫反應，在可見光下產氫速率分別達1676 μmol·g?1·h?1和1973 μmol·g?1·h?1，實現了從電子廢物中回收金并轉化為高附加值催化材料的雙重效益。

圖5：實際CPU浸出液的金回收性能。 (a) Intel CPU的SEM圖像及相應的EDX元素分布圖。 (b) Intel CPU浸出液中Au(III)的回收性能。 (c) AMD CPU的SEM圖像及相應的EDX元素分布圖。 (d) AMD CPU浸出液中Au(III)的回收性能。

總結與展望

該研究通過將聚多巴胺引入共價有機框架，成功構建出一種兼具高吸附容量、超快動力學、優異選擇性和光催化功能的多功能復合材料。材料在光驅動下實現高效金回收，并可進一步用于清潔能源生產，為電子廢物的資源化利用提供了綠色、可持續的雙重解決方案。該策略不僅推動了多功能材料在循環經濟中的應用，也為未來貴金屬回收與能源轉化一體化系統設計提供了新思路。