ACS ES&T Eng. ：太阳能驱动的可再生吸附剂中碳氮缺陷的同步双向优化

来源：ACS美国化学会

英文原题：Bidirectional progressive optimization of carbon and nitrogen defects in solar-driven regenerable adsorbent to remove UV-filters from water

通讯作者：沈意，浙江工业大学

作者：Chao Zhu, Yi Shen, Shaobin Wang, Shuang Song, Qile Fang, Da Wang, Haomiao Xu, Renlan Liu, Zhiqiao He

近年来，为了获得多功能环境纳米材料，许多研究人员致力于采用缺陷工程开发复合纳米材料。虽然缺陷工程可调控纳米材料的固有特性，但由于缺陷效应的复杂性，通常难以在同一材料中协同利用不同组分的各个优势。在环境领域的复合纳米材料中，将吸附材料和光催化材料结合在一起进行水中污染物的去除引起了全世界的关注。然而，如何通过缺陷工程，同步双向优化复合材料的吸附和光催化的性能，需要进一步研究。

近日，浙江工业大学环境学院环境过程与材料研究所在ACS ES&T Engineering上，报道了一种双向缺陷优化的氧化石墨烯(GO)和共价三嗪骨架(CTF)复合材料，即同步减少GO中的碳缺陷和增强CTF中的氮缺陷。制备的一系列三维GO/CTF气凝胶(3D DOA)可有效吸附水中痕量污染物——紫外过滤剂，随后材料在阳光下进行再生，且在自然水循环测试中具有很高的重复利用性和稳定性，如图1所示。

图1. 3D DOA去除污染物及其阳光下再生机制

通过双向缺陷优化策略增强3D DOA中吸附和再生的机制

经过优化缺陷的3D DOA可以达到GO的缺陷修复和CTF的缺陷增加，其作为一种出色的吸附剂，具有快速高效的吸附性能，并且可以在阳光下有效地进行光催化再生。如图所示，大量的污染物被3D DOA中的缺陷修复的GO纳米片捕获，然后缺陷增加的CTF加速了再生过程中污染物的光催化分解。3D DOA看起来像一个多孔陷阱，其中GO充当捕获污染物的网，而CTF在光照下降解了被捕获的污染物。而缺陷工程同步双向优化了GO和CTF的性能：GO中碳缺陷的修复会使网孔更密实，同时CTF中氮缺陷的增加会增强其反应性。通过双向渐进式优化策略，使3D DOA具备太阳能驱动的再生阱，用于捕获污染物并自我清洁。

其主要优点可总结如下：首先，碳缺陷的减少恢复了GO纳米片的对称性，从而创建了非极化的位点，从而提高了π电子的接受性，这有助于提高紫外过滤剂的吸附亲和力。第二，CTF中的氮缺陷相当于三嗪环形成了自掺杂从而破坏其原始电子结构，从而提供了更强的未配对π电子离域，促进了基态电子的激发以及电子从VB到CB的转移。此外，氮缺陷充当用于存储激发的电子空穴的中间间隙状态，这大大扩展了可见光的吸收范围并进一步增强了光催化活性。第三点，由于空间位阻的降低，GO和CTF纳米片之间的紧密结合最大程度地发挥了它们各自缺陷的优势，从而增强了吸附和光再生之间的协同效应。因此，它们共同促进了吸附在GO上的紫外过滤剂的光催化分解，并大大提高了污染物的去除效率。

天然水中的应用潜能

作者进一步研究了3D DOA在真实水基质(西湖水)中的应用潜力，发现其在真实水体中仍然具有相当大的去除污染物的能力，并且在阳光照射下可以再生。如图所示，随着3D DOA中缺陷的优化，紫外过滤剂的去除率和气凝胶的再生率均增加。在7天的周期后，3D DOA的去除率保持为77.4％，远高于未经缺陷优化材料的去除率(38.5％)。这证明了缺陷优化的3D DOA不仅在吸附和光催化方面保持了极高的性能，而且还显着改善了材料的结构稳定性。此外，处理后的西湖水中的总有机碳含量明显降低。并通过多种表征手段(XRD、SEM等)发现3D DOA使用前后的晶体结构、表面组成和形态均无明显变化。因此，通过缺陷工程同步双向优化吸附/光催化复合材料中的各个成分的性能，为构建低成本、高效率的环境材料并用于产业应用提供了可能。比如说，可以将3D DOA施加到吸附-光再生旋转盘上，在该转盘中，转盘刀片装有模板尺寸可调的3D DOA-2(如图2所示)。这种材料能克服用于水处理的吸附剂再生效率低下的限制。首先，其对痕量污染物的超强亲和力和极高的吸附能力可以应对天然水中各种浓度的污染的影响。其次，光催化性能的大幅提高能够避免吸附剂因快速渗透而受到破坏从而导致光再生不足。更重要的是，原位吸附和光再生循环能够克服复杂的异位再生过程中的操作不便和人工耗能问题。

图2. (a) 在7天内的紫外过滤剂去除率和再生率(左轴是去除率，与之相对应的是点；右轴是再生百分比，与之对应的是列)；(b) 具有3D DOA的吸附-光再生转盘的模块示意图

ACS EST Engg. 2021, ASAP

Publication Date: January 15, 2021

© 2021 American Chemical Society

作者简介：

宋爽，环境过程与材料研究所所长，浙江省“万人计划”科技创新领军人才。先后主持国家自然科学基金项目多项，主持浙江省自然科学基金杰青、重点项目等，已作为第一(通讯)作者在Environ. Sci. Technol.、Chem. Commun.、Appl. Catal. B-Environ.等国内外期刊发表SCI/EI收录论文100余篇，其中SCI 90余篇(他引3000余次，H-index为32)，EI (与SCI不重复计)20余篇，获浙江省科学技术奖一等奖、浙江省自然科学基金优秀项目、航天部科技进步奖三等奖、环境保护部环保科技奖三等奖各1项。英国皇家化学会TOP1%高被引学者。指导学生在全国大学生节能减排大赛、浙江省“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛等多次获奖。为J. Am. Chem. Soc.、Environ. Sci. Technol.等期刊审稿人。

通讯作者，沈意，主要从事构建环境友好吸附剂去除水中典型污染物的研究。于浙江大学获得博士学位，耶鲁大学从事博士后研究。近五年在Environ. Sci. Technol.、Appl. Catal. B-Environ.等期刊上共发表SCI论文20余篇，被正面引用900余次，其中5篇论文被评为ESI高被引论文，2篇被评为ESI热点论文。主持国家自然科学基金、浙江省自然科学基金、中国博士后特别资助基金等。指导学生获全国大学生节能减排大赛一等奖。为Environ. Sci. Technol.、Chem. Eng. J.等期刊审稿人。

第一作者，朱超，浙江工业大学环境学院环境科学与工程专业博士研究生，主要从事环境友好型吸附剂的构筑及其水污染控制应用，曾获博士研究生国家奖学金、全国节能减排大赛一等奖等。在Environmental Science & Technology等国际权威期刊上发表SCI论文6篇，其中封面论文1篇，ESI高被引论文1篇。