功能化石墨烯吸附-光催化协同降解水中呕吐毒素的机理研究

Water-soluble deoxynivalenol pose a major threat as a potential organic pollutant to water environmental quality in China. In the process of wet processing, soluble-toxin molecules can be enriched from the contaminated grain by deoxynivalenol, which will pose a potentially serious threat to water environment. To date, the effective reduction method and mechanism of soluble deoxynivalenol in food processing has made some progress, but the degradation effect is limited and mechanism is still not clear, which needs further investigated deeply. Therefore, an efficient and green approach for reduction of soluble deoxynivalenol is extremely urgent. The project intends to develop a new and efficient photocatalytic system biconjugate 3D ZnO@C3N4@graphene composite hydrogel material to remove deoxynivalenol with synergistic effect of joint adsorption and photocatalytic degradation technology. Meanwhile, this project will study the photoinduced charge-transfer properties affected by crystal structure and morphology, synergistic mechanism of adsorption and photocatalysis, photocatalytic degradation and mechanism. The implementation of this project will be conducive to promote the integration and the development of environmental purification and functional materials design as well as motivate the coordination and development of environmental science and material chemistry.

水溶性呕吐毒素是危害我国水环境质量安全的潜在有机污染物之一。在受呕吐毒素污染的粮食湿法加工中，会产生水溶性毒素分子的富集，将对水环境安全构成潜在的严重威胁。迄今为止，对呕吐毒素的消减方法和机理研究取得了一定进展，但存在去除效果不彻底，降解机理不明晰等问题，在技术开发和机理解析方面的研究有待于进一步深入。因此，开发一种绿色高效的水溶性呕吐毒素的消减脱除技术迫在眉睫。本项目拟通过功能化石墨烯ZnO@C3N4@石墨烯复合水凝胶的吸附富集和光催化降解协同作用去除水中呕吐毒素，拟探讨光催化剂的晶体结构和形貌结构对体系的电荷转移、降解性能及机理的影响规律。系统研究呕吐毒素的吸附和光催化协同降解机制，揭示呕吐毒素的光催化降解机理。该项目的实施有利于促进环境净化和功能材料设计领域的渗透、交叉和融合，推动环境科学和材料化学的协同和发展。

本项目针对吸附法或者传统催化氧化法较难彻底去除污染水体中存在的痕量难降解污染物—真菌毒素和处理成本较高、存在二次污染等问题，研发了以石墨烯为双电子介质可高效利用太阳光实现彻底矿化降解的光催化技术。该技术通过在阳极氧化铝（AAO）模板内直接加热单氰胺和草酸锌，创新性地利用石墨烯作为双电子传输层构建g-C3N4嵌套管状“俄罗斯套娃”结构。通过深入分析太阳光激发光催化剂与污染物的表界面相互作用过程，证实石墨烯作为双电子介质引入光催化剂表面，使光催化反应机理从传统的Ⅱ型过程转变为具有显著光催化活性的Z-scheme机制，通过该转换过程进一步实现了优良的电荷分离效率和强氧化还原能力。该技术克服了传统石墨烯引入中仅作为单一界面电子传输的缺点，极大程度的发挥了石墨烯材料优异的电子传输能力和良好的吸附能力，实现了对难降解有机污染物的高效净化处理。在紫外和可见光下其光催化净化处理速率比未改性前提高了4倍，比传统紫外型催化剂提高了近20倍。通过高分辨质谱技术确证了中间产物和最终产物，实现了高效、绿色、低成本的降解及彻底矿化，有效保证了污水末端深度处理的效果及水质安全。此外，对套管型光催化材料关键组分ZnO和g-C3N4的缺陷结构进行深入研究。探明了ZnO的氧缺陷和暴露晶面、热力学性质及光催化活性的关系。从自然界海底天然海绵体的生长规律和结构特性得到启发，开发了一种新型高效可对本体g-C3N4表面进行微波刻蚀产生表面缺陷，在不同刻蚀介质中发生表面原子取代并实现本体氮化碳的类天然海绵体结构，成功实现了缺陷刻蚀、片层剥离以及海绵体组装全过程。为探究该系列材料对城市水环境中其他主要难降解有机污染物如亚甲基蓝、苯酚、双酚A、双氯芬酸钠的降解效果，采用一系列材料表面调控措施实现了该类污染物的高效降解，通过理论计算入研究了降解机理和表面电荷转移机制，为指导高效光催化材料的设计合成提供了重要的理论基础。