基于水合氧化铁（HFO）的吸附材料因其对磷酸盐具有较强的亲和力，在深度除磷领域受到广泛关注。实际水体中普遍存在的钙离子（Ca²⁺）可促进磷酸盐的富集和去除，但也可通过诱导钙磷沉淀及后续晶体生长造成材料孔道堵塞、再生性能下降等问题。课题组长期围绕水体磷污染控制与资源化开展研究，在高性能除磷材料创制、吸附界面过程认知与调控等方面形成了较为系统的研究基础，并在铁基复合吸附材料的开发、磷去除与再生过程调控等方向取得了系列进展。课题组前期研究发现，10–100 nm尺度下的纳米限域效应可驱动分区结晶反应（Environ. Sci. Technol., 2019, 53, 365–372），在一定程度上缓解Ca结垢对长期除磷过程的不利影响。
在国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目支持下，课题组进一步关注钙离子参与下的界面磷富集及矿物相演化过程，围绕钙离子强化磷吸附与钙磷晶体演化之间的关系，以水合氧化铁负载凝胶型毫纳结构复合材料（HFO@N201）为研究平台，构筑了亚10纳米限域环境，系统研究了亚10纳米限域空间下钙磷物种的界面富集、结构演化及其对材料长期除磷性能的影响。研究发现，Ca²⁺能够显著提升HFO@N201的磷吸附性能，并在多批次吸附–再生及连续流运行过程中保持良好的强化效果。与前期研究工作显著不同的是：钙磷物种在HFO@N201内部显著富集，但未观察到明显的晶体熟化现象，也未观测到持续的结晶沉积。进一步的机制分析表明，水合氧化铁提供了磷酸盐结合与钙磷富集的反应界面，而HFO@N201中的纳米限域空间（~2 nm）通过限制离子迁移及水合层交换，抑制了钙磷物种向有序晶体结构的进一步演化（图1）。这一研究表明凝胶型载体相对于大孔型载体具有独特的纳米限域效应，为抗结垢污染复合纳米材料的研发与实际应用提供了一定的科学指导。
该研究成果以“Nanoconfinement Decouples Calcium-Enhanced Phosphate Capture from Calcium Phosphate Crystal Maturation”为题，在线发表于《Environmental Science & Technology》(https://doi.org/10.1021/acs.est.6c11456)。南京大学环境学院24级硕士生庄冠巨为论文第一作者，张延扬副教授为通讯作者，团队博士生许诗芸、团队硕士生徐雯雯以及杨志超副教授、张孝林教授及潘丙才教授为论文共同作者。研究得到国家重点研发计划（2022YFA1205600）、国家自然科学基金重点/面上项目（22236003/52270157）及中央高校基本科研业务费（KG202607）的资助。
图1 不同限域空间中Ca-P晶体演化机制示意图