来源：ACS Publications
工农业活动的迅速扩张导致磷在自然水体中大量积累，导致富营养化，对水生生态系统构成严重风险。为了减轻富营养化，在排放废水之前必须有效地将磷去除至超低水平。无论是工业还是市政，都归入接收机构。在众多处理方法中，吸附因其作简单、成本效益和环境友好而脱颖而出。
目前，镧基材料因其高吸附能力和对磷酸根离子的特异性亲和力，在各种场景中被广泛用作除磷的有效吸附剂，包括工业和市政废水处理，以及受污染的天然水体的修复。过去几十年的广泛研究阐明了磷酸根离子吸附到 La基材料上的机制。主要机制涉及通过配体交换形成球内复合物，以及导致 LaPO4 形成的地表降水或其水合形式 LaPO4·H2O（s）的这些机制的优势是 pH 值依赖性的，配体交换在酸性条件（例如 pH 4）和 LaPO4 下占主导地位在中性 pH 值（例如 pH 7）下有利于沉淀。通常，表面络合不会改变吸附剂的晶体结构，La-P 相互作用的可逆性有助于吸附剂的再生和磷的回收。与此同时，LaPO4 的成立由于其超低溶解度 （Ksp≈10–26），即使在痕量浓度下也能有效去除磷。
值得注意的是，La-P 相互作用是时间依赖性的，初始阶段通常涉及内球复合物的形成，随后可能会过渡到 LaPO 的结晶4在延长的反应期（表 S1）。了解这种时间进程对于优化旨在增强磷封存或有效吸附剂再生的条件至关重要。尽管 LaPO4 很重要，但缺乏系统分析 La-P 相互作用动力学和 La 物种结构进化的研究，特别是关于 LaPO4 的原位形成、转化和生长晶体。传统的表征方法，如 X 射线衍射 （XRD）、扫描电子显微镜 （SEM） 和固态核磁共振 （NMR），在探测 La-P 相互作用等动态界面过程方面面临严重限制。这些技术主要提供本体相或反应后见解，需要大量的样品和干燥的静态条件来生成可解释的信号。同样，石英晶体微天平跟踪质量变化，但缺乏纳米级空间分辨率，而 X 射线散射平均异质表面的信号，掩盖了特定位置的动力学。这些限制使得实时观察固液界面过程具有挑战性。
近几十年来，原子力显微镜 （AFM） 已成为对动态界面过程进行原位纳米级表征的强大工具。通过集成流体单元，AFM 能够在流动的水条件下实时跟踪过程，直接模拟环境或工程系统。与体法不同，AFM 以最小的样品扰动运行，解决探针尖端和表面之间的局部相互作用，以同时绘制形貌和机械特性。在实际含水条件下，这种将结构演变与反应动力学直接关联的能力使 AFM 成为研究动态 La-P 相互作用的理想方法。
为了解决上述知识差距，本研究旨在使用 AFM 技术阐明 La-P 相互作用的结构演变。我们合成了碳酸镧、La2(CO3)3·8H2O，一种常用的 La基材料，研究磷酸盐去除所涉及的界面机制。在 pH 4 和 7 下进行连续流实验，以比较表面络合与 LaPO 的功效4在增强吸附能力中形成。此外，我们还开发了一种实验装置，可以实时观察 LaPO4的原位形成和生长界面处的晶体。然后测定固液界面处的溶解和成核动力学，以及溶液 pH 值、磷酸盐浓度和共存离子对 LaPO4 成核和生长的影响澄清晶体。这项研究被认为为支撑 La基材料除磷的界面过程和机制提供了新的见解。