新型微/纳米结构功能碳材料的低温合成及在水污染控制中的应用研究

针对目前在水污染控制中所用碳吸附材料难以功能化和吸附效率低下的问题，发展了一种低温水热合成技术制备具有新型微/纳米结构功能碳材料；针对碳吸附材料难富集分离的问题，利用水热碳化和金属盐之间的协同作用将磁性颗粒引入碳材料中，研究材料对水体中污染物的吸附行为和磁控分离能力。主要包括：研究不同反应参数对功能碳材料结构的影响，揭示形貌控制的关键性因素，实现材料的可控合成。深究合成机理，提出反应模型，旨在发展新型微/纳米结构功能碳材料的可控合成方法。考察碳化过程和功能性单体对材料功能基团的影响和控制，实现选择性吸附。探索功能碳材料在磁场下的行为，实现快速磁控富集分离。揭示微/纳米结构功能碳材料在水溶液中的吸附行为，建立吸附模型，实现对水体污染的有效控制。本项目的实施，不仅可以为新型微/纳米结构功能碳材料的合成提供新的设计思想，而且为水污染控制工程提供数据支持和材料基础。

目前，环境污染问题越来越受到关注，特别是水污染已经严重影响了人类的健康。吸附法治理水污染具有低成本、高效率以及没有二次污染等优点被广泛使用。因此，发展高吸附活性、低成本的吸附剂并研究其吸附行为是一个关键性问题。本项目通过低温水热法制备磁性微/纳结构碳吸附剂。利用微/纳结构解决纳米吸附剂的团聚问题；利用吸附材料表面具有丰富的功能性基团提高吸附效率；利用碳吸附剂的磁性有利于吸附剂的回收再利用，进一步降低成本。基于此，本项目按照研究计划得到了一系列微/纳结构碳吸附材料，解决了纳米吸附剂的团聚导致吸附效率下降的问题，实现了对水体污染的有效控制。例如，一步水热法利用葡萄糖作为碳源，铁硫化合物做磁性材料，制备得到了银耳状微/纳结构Fe3S4/C 吸附剂(CrystEngComm, 2013, 15(15): 2956–2965)。研究表明，微/纳结构的形成是基于葡萄糖吸附-碳化以及在乙二醇体系中的自组装作用。同时，Fe3S4/C 吸附剂的表面有许多功能性基团（如-OH,-C=O,-C-H等），极大的提高了吸附容量和吸附效率。更为重要的是，由于Fe3S4的磁性，该碳吸附剂可以方便的进行磁分离且用乙醇洗涤后可以重复使用。吸附机理的研究表明，Fe3S4/C 吸附剂与污染物分子的作用主要是基于-OH与MB分子的氢键作用力。此外，采用氨水作为水热反应的介质，葡萄糖作为碳源可以一步法得到表面含有-NH2的碳球，对重金属Cr（VI）具有结构增强吸附作用（Colloids Surf. A: Physicochem. Eng. Aspects, 2012, 415: 288-294）。进而，延伸到微/纳结构金属氧化物吸附剂，得到微/纳结构氧化锌（J. Mater. Res., 2012,27(6): 951-958）对重金属离子具有很好的吸附移除作用（Colloids Surf. A: Physicochem. Eng. Aspects, 2013, 422: 199-205）等等。.综上所述，通过本项目的研究得到了微/纳结构磁性碳吸附剂，不仅为新型微/纳米结构吸附材料的合成提供新的设计思想，而且为水污染控制提供了数据支持和材料基础。