电子结构调控的共价有机框架通过吸附与光催化协同从复杂电子废弃物中回收金——海南大学王宁教授团队新进展
image: The newly designed two-dimensional COF features abundant adsorption sites and favorable photoelectronic properties, exhibiting high selectivity toward gold in electronic waste.
Credit: Copyright © 2025 Jun Zhang et al.
研究背景
黄金（Au）是一种重要的贵金属资源，由于其独特的物理性质和优异的化学稳定性，被广泛应用于电子通信、催化、生物医学以及航空航天等多个领域。随着电子工业的快速发展，全球电子废弃物的产量逐渐增加，其总量预计将在2030年达到7470万吨。值得注意的是，电子废弃物中黄金的浓度约为天然金矿石的80到100倍。预计到2025年，全球电子废弃物中所含黄金总量将高达1568吨。此外，与传统金矿开采相比，从电子废弃物中回收黄金在经济成本和环境友好性方面更具优势。在电子废弃物金回放方法中，光催化法通过将可溶性的Au(III)还原为不溶性的Au(0)实现从电子废弃物中回收金。因光催化法能耗低、操作简便、效率高且无有害排放等优势，被认为是一种可持续且高效的金资源回收方法。
研究进展
价有机框架（COFs）结构可调，是构筑功能性光催化剂的理想平台。在COFs中引入电子供体/受体单元，已成为调控其光催化性能的重要手段，可促进电子–空穴对高效分离并抑制复合，从而提升催化效率。除电子结构调控外，吸附与光催化的协同作用也被证实能显著增强金属离子回收能力。基于此，海南大学海洋科学学院（南海海洋资源利用国家重点实验室）王宁教授、袁益辉研究员等提出一种兼顾电子结构调控与吸附位点增多的COFs光催化回收金新策略。该材料引入多种金吸附位点，并通过供体–受体效应与p–π共轭效应优化电子结构。实验与理论计算表明，卟啉与亚胺中的氮原子、噻唑中的硫原子以及甲氧基中的氧原子可增强与AuCl4−的结合。此外，卟啉与噻唑之间的供体–受体效应，以及甲氧基与苯环之间的p–π共轭效应进一步优化能带结构，提升电荷分离与传输效率、降低复合，从而实现对金的高效光催化回收。
在暗场条件下，TAPP-TB-COF、TAPP-TZ-COF 和 TAPP-TZ-OMe-COF 在24 h 内的金回收容量分别达到853、1100和1301 mg g−1。光照后，三者分别提升至 2766、3548和 4109 mg g−1，较暗场条件提高 3.24、3.23 和 3.16 倍，表明光催化可显著增强金回收。对回收产物的分析进一步证明，光照下“吸附+化学还原+光催化还原”的协同机制显著提高了回收效率。在电子废弃物应用验证中，以 CPU 板浸出液为对象，TAPP-TZ-OMe-COF 在光照4 h内的金回收率达 99.9%。循环使用4次后回收率仍保持在 99% 以上，表现出良好的可重复使用性与稳定性。
未来展望
本研究将电子结构调控与吸附位点增多相结合，通过逐步引入噻唑和甲氧基，实现了COFs金回收性能的显著提升。TAPP-TZ-OMe-COF 具备多重吸附位点，包括卟啉与亚胺中的氮原子、噻唑中的硫原子以及甲氧基中的氧原子协同增强了对 AuCl4−的结合。噻唑与卟啉之间的供体–受体作用优化了材料电子结构；甲氧基通过O原子p轨道与苯环π轨道的p–π共轭促进载流子分离与传输、抑制复合，从而提供更多光生电子用于高效光催化回收金。该工作为构筑高效COFs光催化剂提供了可行思路，并展示了其在电子废弃物金资源回收中的应用潜力。
原文链接：https://spj.science.org/doi/10.34133/research.1012