水溶液中的重金属离子以阳离子或金属氧阴离子的形式存在。与易被吸附或沉淀去除的阳离子形式相比，含氧阴离子形式具有更高的溶解性和环境迁移性，可以在环境中自由迁移。Cr(VI)阴离子因其固有的致癌性和致突变性而成为最有害的金属氧阴离子之一。阳离子固体载体阴离子交换法是一种方便、高效的氧阴离子去除技术。迄今为止，已经开发出各种具有阳离子骨架的材料，如阴离子交换树脂(AER)、阳离子金属-有机骨架(MOFs)、阳离子聚合网络(CPN)和阳离子共价有机骨架(COFS)已经被开发出来用于去除有害的氧阴离子。然而，由于这些吸附剂包含有机成分，使得大多数吸附剂的热稳定性和化学稳定性较差。 因此，迫切需要阳离子骨架材料，尤其是能高效、选择性地捕获水溶液中有害重金属氧阴离子的纯无机阳离子骨架材料，然而这方面的研究报道几乎没有。

有鉴于此，吉林大学于吉红院士首次报道了一种新型的层状阳离子氢氧化铝，Al₃O_2.5(OH)_3.5Cl_0.5·0.9H₂O（JU-111），是一种极具优势的重金属氧阴离子吸附剂（尤其是六价铬（VI））。同时，根据3D电子衍射断层扫描数据解析其结构。

文章要点

1）研究人员用廉价的氧化钙和无水氯化铝原料，在温和的水热条件下制备出JU-111。初始混合物的结晶温度和pH是两个决定性因素。同时，铝原料对于JU-111的形成也至关重要。当使用Al₂(SO₄)₃或Al(NO₃)₃时，没有产生JU-111。而用氢氧化钠或氨替代氧化钙却会合成高度结晶的JU-111。元素分析证实，JU-111不含Ca²⁺，Na⁺或NH⁴⁺阳离子。

2）SEM和TEM图像显示，JU-111晶体具有清晰的薄片状形态，长度约100至500纳米。SAED图像索引显示，纳米片的法线向量与晶体结构的b轴一致。STEM-ABF成像显示，JU-111晶体纳米片的侧面暴露了{010}面。此外，根据3D电子衍射断层扫描数据，研究人员解析了其晶体结构。JU-111的解析结构表明，JU-111的结构由沿着晶体b轴堆叠的阳离子氢氧化铝铝层组成，其中Cl^-阴离子为层间电荷平衡阴离子。

3）JU-111表现出快速的吸附动力学（20 min），高的捕获能力（105.4 mg g^-1）和对Cr（VI）含氧阴离子的宽工作pH范围（3-10）。与在CO₃^2-的存在下选择性差的层状双氢氧化物（LDHs）不同，JU-111在大量过量的CO32-的情况下仍对Cr（VI）保持极好的选择性。

优异的性能加上超低成本和对环境无害的性质，使JU-111极有希望用于有毒金属氧阴离子修复以及替代LDHs用于其他潜在应用。

Wenfu Yan, et al, A Layered Cationic Aluminum Oxyhydroxide Emerging as a New Type of Highly Efficient and Selective Trap for Heavy Metal Oxyanions, Angew. Chem. Int. Ed., 2020

DOI：10.1002/anie.202005878

https://doi.org/10.1002/anie.202005878