基于电子池效应截断策略优化凝胶结构特性实现铜污染高效吸附的机理研究

针对工业含铜废水深度处理难题，研究团队创新性地通过引入聚乙烯醇(PVA)和聚乙烯亚胺(PEI)构建具有限域狭缝结构的PVA/GO/SA和PEI/GO/SA凝胶吸附剂。首次提出亚甲基主链电子池效应及其截断机制，揭示PEI主链氮原子对特征基团电负性(QavePEI-N=-0.899)和反应活性的增强作用，使PEI/GO/SA对Cu(Ⅱ)吸附量(Qm)达171.11 mg/g，为聚合物结构设计提供新思路。

　　

随着工业快速发展，含铜废水污染已成为严峻的环境问题。传统化学沉淀法难以深度去除Cu(Ⅱ)离子络合物，且会产生有毒污泥造成二次污染。铜离子在水体中呈现独特的平面四配位[Cu(H₂O)₄]²⁺结构，这种特殊的电子排布(d_z²轨道双电子和d_x²-_y²轨道单电子)导致其具有较小的空间位阻，为针对性吸附材料设计提供了理论基础。

渤海大学的研究团队受植物木质部输水结构启发，在GO/SA凝胶体系中分别引入PVA和PEI两种线性聚合物，成功构建了具有限域狭缝结构和稳定三维构型的PVA/GO/SA和PEI/GO/SA复合凝胶。研究创新性地发现高聚合度下PVA和PEI存在不同的电子转移机制(COHP_PEI-N=0.04 eV vs COHP_PVA-O=-0.05 eV)，首次提出具有链长响应特性的亚甲基主链电子池效应，并通过晶体轨道哈密顿布居数(COHP)和平均电荷量(Q_ave)分析证实PEI主链氮原子对该效应的截断作用，显著提升了特征基团的电负性和反应活性。相关成果发表在《Journal of Hazardous Materials Advances》上。

关键技术方法包括：1)通过超声分散和机械混合制备复合凝胶；2)采用晶体场理论和Jahn-Teller效应分析Cu(Ⅱ)配位结构；3)通过COHP计算和电荷分布分析电子转移机制；4)利用吸附等温线评价凝胶性能。

【电子池效应与截断】研究发现PEI/GO/SA(171.11 mg/g)的Cu(Ⅱ)吸附性能显著优于PVA/GO/SA(96.81 mg/g)，这与传统有机化学中氧原子电负性更强的认知相悖。通过分析聚合度与吸附位点关系，揭示PEI主链氮原子能截断亚甲基主链的电子池效应，使氮原子平均电荷(Q_ave^PEI-N)达-0.899，显著高于PVA氧原子的-0.629。

【凝胶合成与表征】采用分步混合法制备的PEI/GO/SA凝胶具有更高的交联密度和更优化的狭缝结构，其三维构型稳定性源于PEI与GO/SA组分间的多重相互作用。

【环境意义】研究不仅开发出高效Cu(Ⅱ)吸附凝胶，更从聚合物结构层面阐明了主链电子效应对材料性能的调控机制，为含重金属废水处理提供了新思路。

该研究突破性地从电子层面揭示了聚合物主链结构对吸附性能的影响机制，建立的"结构-电子效应-吸附活性"关联模型，不仅适用于铜污染治理，还可拓展至其他重金属吸附材料的设计开发。特别是提出的电子池效应截断策略，为线性聚合物的结构表征和功能调控开辟了新途径。