新型三维石墨烯杂化铁基材料的构建及其对水中抗生素的吸附/催化协同去除机制

As the presence of antibiotic pollutants in water poses growing health risks globally, we aim to design novel environmental functional material toward effective antibiotics removal in this study, and conduct intensive study on mechanisms associated with material formation and pollutant removal. Both adsorption and catalysis properties of the material would be strengthened to realize their synergistic effect. Through the synthesis of three dimensional graphene-iron based hybrids, on the one hand, the excellent Fenton catalysis ability of the iron based component could break the limitation that traditional graphene adsorbent is not able to degrade organic pollutant; on the other hand, the excellent adsorption performance of graphene and the strong interactions established between graphene and iron-based components could enhance the electron supply from antibiotics to iron, which could overcome the difficulty in ferrous iron regeneration. Furthermore, 3D material also avoids the agglomeration and separation problems in traditional 2D nanomaterials application. The findings obtained in this project would provide new thought toward the design of novel environmental functional materials, and also could give technical guidance for the treatment of antibiotic pollution.

针对水中抗生素污染物带来的日益严峻的全球环境和健康风险问题，本项目以高效去除水中抗生素为目标构建新型环境功能材料，从强化材料的吸附和催化两方面性能着手，实现材料对污染物去除过程中吸附与催化降解的协同，并深入研究材料内部成键机制以及对抗生素的去除机制。通过构建三维石墨烯杂化铁基材料，一方面，利用铁基材料优异的非均相芬顿催化降解有机物的优势打破传统石墨烯材料不能降解有机物的局限，并以催化降解促进吸附；另一方面，利用石墨烯对污染物的优异吸附作用以及构建石墨烯与铁基组分的强相互作用强化抗生素的电子供体角色，打破铁基催化剂不同铁价态循环速率低的局限，提升降解效率；同时，利用石墨烯可形成三维宏观体的优势解决传统二维纳米材料易团聚和难固液分离的问题。研究结果将为新型环境功能材料的构建提供新思路，并为治理抗生素污染提供技术指导。

抗生素污染已经成为全球关注的热点环境问题。为了实现水中抗生素污染物的高效去除，设计高效、稳定、易于固液分离的新型环境功能材料已成为本领域的研究前沿。. 本项目以高效去除水中抗生素为目标构建新型三维石墨烯杂化铁基材料，深入研究材料内部成键机制以及对抗生素的去除机制。一方面，利用铁基材料优异的非均相芬顿催化降解有机物的优势打破传统石墨烯材料不能降解有机物的局限，并以催化降解促进吸附；另一方面，利用石墨烯对污染物的优异吸附作用以及构建石墨烯与铁基组分的强相互作用强化抗生素的电子供体角色，打破铁基催化剂不同铁价态循环速率低的局限，提升降解效率；同时，利用石墨烯可形成三维宏观体的优势解决传统二维纳米材料易团聚和难固液分离的问题。. 构建了系列高效降解抗生素的三维石墨烯杂化铁基材料，实现了以抗生素为电子供体的高效类芬顿降解路径，通过对实验和计算证实，该高效降解路径的强化过程是通过电子从四环素的N区转移到材料的Fe区，促进了π-π（四环素和石墨烯之间）至π-Fe（石墨烯和α-FeOOH之间）的电子转移路径。其中，代表性成果为通过简单的水热法制备了α-FeOOH/RGO水凝胶，以亚铁离子为还原剂诱导石墨烯自组装形成α-FeOOH/RGO水凝胶。在此基础上，利用乙二醇调控材料结构降低团聚、提升比表面积、强化Fe-O-C键合，使得凝胶中铁与碳原子周围电子密度差进一步增大。在对该材料降解四环素过程的研究中，发现了石墨烯铁基凝胶材料降解四环素的关键机制，并首次发现石墨烯铁基水凝胶可以在不添加双氧水的情况下生成活性氧物种（ROS），利用电子密度泛函计算证实材料中双反应中心电子密度差异的增加以及四环素作为电子供体的促进作用是提升四环素去除率的关键机制，由此提出了电子可以从四环素的N区转移到材料的Fe区的电子转移路径，并进一步提出了基于π-π相互作用（四环素与石墨烯之间）和π-Fe相互作用（石墨烯与α-FeOOH之间）耦合的抗生素高效去除机制，该文章为封面文章、热点文章、Environmental Science: Nano 2019年度最佳文章、ESI高被引。. 相关研究成果共以本项目第一标注发表论文10篇，授权发明专利8项、授权实用新型1项。