表面修饰Fe3O4基磁性纳米材料的非水液相原位合成及降解PPCPs型污染物研究

Pharmaceuticals and personal care products (PPCPs) have been detected as emerging contaminants in many water bodies in China in recent years mainly due to the low efficiency of the prevailing water treatment technology. Based on the idea of using functional inorganic nanomaterials in environmental remedy, this project is focused on the versatile Fe3O4 magnetic nanoparticles (MNPs) due to their reported peroxidase-like activity, low toxicity, low cost, wide availability and magnetic property. However, Fe3O4 MNPs have been generally found to possess lower catalytic activity for degradation of organic pollutants (0.02-3 mM) with H2O2 as longer reaction time (e.g., 3-6 h) and large excess amout of H2O2 (2-4 orders of magnitude higher than the concentration of pollutants) are usually required. Therefore, it is pre-requisite to significantly improve the peroxidase-like activity of Fe3O4 MNPs for their practical applications in waste water treatment. For this purpose, the present work plans to first synthesize in-situ modified and doped Fe3O4-based nanostructured materials with higher intrinsic activity in non-aqueous solvents (e.g., ionic liquids and organic solvents), and further enhance their catalytic activity with the assistance of physical methods (e.g., UV-vis lights, microwave, ultrasound, etc.), with the aim of developing some new process and technology for efficient treatment of PPCPs-contaminated waste water.

本项目针对污水处理中药物和个人护理品（PPCPs）等新兴环境污染物较难降解的问题，利用Fe3O4磁性纳米颗粒具有类过氧化物酶催化性能、毒性小、廉价易得、易于磁性分离回收等优点，拟开展Fe3O4基磁性无机功能材料对PPCPs的降解研究。本项目将在非水液相体系（如离子液体或有机溶剂中），通过表面修饰、掺杂、粒径/形貌控制等多因素协同作用，原位合成具有高本征活性的Fe3O4基磁性纳米结构材料并探讨其形成机理；通过评价不同Fe3O4基纳米结构材料对典型PPCPs污染物的催化降解性能，建立对应的构效关系；通过优化催化剂的设计和合成，并结合光催化等物理增强方式，以克服普通Fe3O4磁性纳米颗粒活化H2O2能力非常有限的不足；在此基础上开发新型水处理技术和工艺，有效降解PPCPs污染物，以加强对水体中PPCPs的防治。

本项目针对水处理中药物及个人护理品（PPCPs）等新兴环境污染物较难降解的问题，利用Fe3O4磁性纳米颗粒具有类过氧化物酶催化活性、廉价易得、毒性小、易于磁性分离回收等优点，通过取代掺杂、表面修饰、粒径和形貌控制以及物理增强等多因素协同作用，成功开发了具有高本征活性的Fe3O4基磁性环境催化材料，高效降解污水中的PPCPs等有机污染物。本项目在非水液相体系（如离子型低共熔点溶剂、有机分子溶剂、熔盐等）中，系统考察了不同合成工艺和反应体系对改性Fe3O4基磁性纳米材料的生长方式和形成机理的影响，表征分析了不同制备方法所得产物的晶相结构、化学组成、形貌、粒径、表面改性物种和取代掺杂元素的化学形态、孔结构和磁性质等物化性质。通过优化工艺条件和考察实际水体中可能的共存组分（如无机离子及有机质等）对催化降解性能的影响，成功将改性Fe3O4基磁性纳米材料应用于废水治理中，有效清除不同类型的有机模型污染物。通过密度泛函理论计算和催化降解动力学研究相结合，合理解释了不同改性方式增强Fe3O4类酶催化活性的机制。发现金属离子（如铜）掺杂或氧化物（如AlOx）表面修饰主要通过在Fe3O4颗粒表面引入新的催化活性位点，与表面铁协同作用促进H2O2分解；而非金属离子（如氟）或有机功能团（如邻二羟基）表面改性则主要通过改进Fe3O4颗粒表面对反应物（H2O2或有机分子）的亲和力，促进反应物在表面活性位点的吸附和有效碰撞，进而提升Fe3O4颗粒的类酶催化活性。本项目为设计和制备具有高活性和稳定性的新型多组分共掺杂改性Fe3O4基环境功能材料提供了理论依据。