厦门大学Angew：光驱动高效金回收

聚多巴胺功能化共价有机框架材料引领电子废物资源化利用

随着人工智能与信息技术的飞速发展，全球对算力的需求激增，硬件更新迭代加速，导致电子废物数量急剧上升。预计到2030年，全球电子废物年产量将达7470万吨，而目前仅有约22.3%得到回收。电子废物中富含金等贵金属，因其优异的导电性、延展性和化学稳定性，在电子工业中不可或缺。然而，金在自然矿石中储量有限且不可再生，开发高效、环保的二次资源回收技术，对于推动循环经济和资源可持续利用至关重要。

近日，厦门大学彭丽副教授、李军教授和杨述良教授合作，成功设计出一种聚多巴胺功能化的β-酮烯胺连接共价有机框架复合材料（TATP/PDA），并结合光辅助策略，实现了高效的金回收。该材料在光照下表现出卓越的吸附容量（5220 mg·g⁻¹）、超快吸附动力学（30秒内去除率>99%）以及在复杂基质中的高选择性。实验表明，材料中丰富的氮、氧活性位点及其固有的光催化还原能力显著提升了金的吸附性能。此外，吸附金后的复合材料可直接作为高效的光催化剂用于产氢反应，实现了“回收—催化”双功能一体化，为电子废物的资源化利用与绿色循环经济提供了新途径。相关论文以“Light-Promoted Efficient Gold Recovery Enabled by a Polydopamine-Functionalized Covalent Organic Framework”为题，发表在

Angew

材料设计与结构表征

研究团队通过溶剂热法合成出β-酮烯胺连接的TATP共价有机框架，并进一步通过原位氧化聚合法将聚多巴胺引入其多孔结构中，得到TATP/PDA复合材料。X射线衍射图谱显示，引入PDA后材料仍保持完好的晶体结构。红外光谱中羟基峰的宽化和红移证实了材料内部氢键的形成。扫描与透射电镜图像显示，TATP呈现均匀的纳米线形貌，而TATP/PDA则显示出更致密的层状堆叠结构，表明二者之间存在强相互作用。氮气吸附测试表明，TATP的比表面积高达1172 m²·g⁻¹，引入PDA后虽略有下降，但仍保持高孔隙结构。X射线光电子能谱进一步证实了PDA的成功引入以及材料中丰富的氮、氧活性位点。

示意图1：TATP/PDA的制备示意图。

图1：TATP与TATP/PDA的表征。 (a) TATP的PXRD图谱及Pawley精修结果。 (b) TATP与TATP/PDA的PXRD图谱对比。 (c) PDA、TATP与TATP/PDA的红外光谱。 (d) TATP的SEM图像（插图为实际粉末样品照片）。 (e) TATP/PDA的SEM图像（插图为实际粉末样品照片）。 (f) TATP/PDA的TEM图像。 (g) TATP与TATP/PDA在77K下的氮气吸附-脱附等温线。 (h) TATP与TATP/PDA的高分辨率N 1s XPS谱图。 (i) TATP与TATP/PDA的高分辨率O 1s XPS谱图。

光电性能与能带结构

紫外-可见漫反射光谱显示，TATP/PDA的吸收边带发生红移，光学带隙降至2.28 eV，表明其可见光响应增强。莫特-肖特基测试证实材料为n型半导体，其导带电位足以驱动金离子的还原。光致发光光谱显示TATP/PDA的荧光强度显著淬灭，荧光寿命缩短，说明光生载流子分离效率提高。光电流响应与电化学阻抗测试进一步表明，该复合材料具有优异的光电转换能力和较低的电荷转移电阻，为光促进金还原提供了有力支持。

图2：TATP与TATP/PDA的光电性能。 (a) TATP与TATP/PDA的紫外-可见漫反射光谱。 (b) TATP与TATP/PDA的能带结构示意图。 (c) TATP与TATP/PDA的光致发光光谱。 (d) TATP、TATP/PDA与TATP/PDA-Au在光开关循环下的光电流响应曲线。 (e) TATP、TATP/PDA与TATP/PDA-Au的奈奎斯特图。 (f) TATP/PDA在黑暗与光照条件下的EPR导带电子的光谱。

金吸附性能与机理

在光照条件下，TATP/PDA对金的最大吸附容量达5220 mg·g⁻¹，较黑暗条件下提升4.1倍，并显著优于纯PDA和原始TATP。吸附过程符合Langmuir模型，表明为单层化学吸附。动力学实验显示，在50 ppm金溶液中，材料30秒内即可去除99%以上的金离子，且在实际低浓度体系中仍保持极高去除率。材料在pH 1–10范围内均保持高效吸附，其zeta电位分析表明在酸性条件下通过静电作用高效捕获[AuCl₄]⁻阴离子。在含多种竞争离子的模拟电子废物浸出液中，TATP/PDA对金的选择性吸附率超过99%，分配系数高达8.6×10⁵ mL·g⁻¹，展现优异分离能力。经过十次循环使用后，吸附性能仍保持98%以上，结构稳定。

图3：金回收性能。 (a) TATP与TATP/PDA在黑暗与光照条件下对Au(III)的吸附等温线。 (b) 初始浓度为1000 ppm Au(III)的吸附动力学性能。 (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电位。 (f) TATP/PDA在光照下对多竞争离子共存体系中不同金属离子的回收效率。 (g) TATP/PDA的分配系数与分离系数。 (h) TATP/PDA在十次吸附循环中的金回收效率。 (i) 使用30 mg吸附剂在60 mL 100 ppm Au(III)水溶液吸附金后TATP/PDA的PXRD图谱。

吸附机制与材料再生

透射电镜、高角环形暗场扫描透射电镜及X射线光电子能谱分析表明，金离子在材料表面被还原为金纳米颗粒，并进一步生长为较大颗粒。光照射下，材料产生的超氧自由基参与还原过程，金主要以Au(0)和Au(I)形式存在。氮、氧官能团通过配位与氢键作用捕获金离子，随后在光与化学还原协同作用下转化为金属金。该过程实现了“吸附—还原—成核—生长”的连续机制。

图4：金吸附后TATP/PDA的表征。 (a) 金吸附后TATP/PDA的HAADF-STEM图像及相应的EDX元素分布图。 (b) 金吸附后TATP/PDA的TEM图像。 (c) 金吸附后TATP/PDA的HRTEM图像。 (d) 金吸附后TATP/PDA的SEM图像。 (e) 不同条件下TATP/PDA与TATP/PDA-Au的EPR光谱中O₂⁻的代表性信号。 (f) 金吸附前后TATP/PDA的XPS全谱。 (g) 黑暗与光照条件下TATP/PDA-Au的Au 4f XPS谱图。 (h) 金吸附前后TATP/PDA的O 1s XPS谱图。 (i) 金吸附前后TATP/PDA的N 1s XPS谱图。 (j) TATP/PDA吸附金的机制示意图。

实际电子废物处理与资源化应用

在实际废弃CPU浸出液处理中，TATP/PDA对金的提取率超过90%，且金纯度高于99.3%。更值得一提的是，载金后的TATP/PDA可直接作为光催化剂用于产氢反应，在可见光下产氢速率分别达1676 μmol·g⁻¹·h⁻¹和1973 μmol·g⁻¹·h⁻¹，实现了从电子废物中回收金并转化为高附加值催化材料的双重效益。

图5：实际CPU浸出液的金回收性能。 (a) Intel CPU的SEM图像及相应的EDX元素分布图。 (b) Intel CPU浸出液中Au(III)的回收性能。 (c) AMD CPU的SEM图像及相应的EDX元素分布图。 (d) AMD CPU浸出液中Au(III)的回收性能。

总结与展望

该研究通过将聚多巴胺引入共价有机框架，成功构建出一种兼具高吸附容量、超快动力学、优异选择性和光催化功能的多功能复合材料。材料在光驱动下实现高效金回收，并可进一步用于清洁能源生产，为电子废物的资源化利用提供了绿色、可持续的双重解决方案。该策略不仅推动了多功能材料在循环经济中的应用，也为未来贵金属回收与能源转化一体化系统设计提供了新思路。