西北院油气中心环境地球化学团队在重金属污染物的光催化修复领域取得系列进展

重金属污染是我国当前最突出的土壤环境问题，国务院和生态环境部接连出台多项政策法规，努力推进重金属污染的全面管控和有效治理。然而，受限于传统修复技术能耗高、选择性差、二次污染和易受干扰等缺陷，重金属污染物问题无法得到有效解决。西北院油气中心环境地球化学研究团队利用不同价态重金属元素赋存状态、生物毒性和迁移行为的差异，开发出系列碳纳米修复材料，采用光催化方法成功实现了砷、铬、硒等重金属污染物的高效低毒化固定，并揭示了重金属污染物光催化转化的微观反应过程和机制。

研究团队以氧化石墨烯和碳纳米管为主体，聚丙烯胺为交联剂，并引入Fe₃O₄磁性粒子，在室温下通过自组装策略成功构筑了三维多孔磁性水凝胶。得益于丰富的孔道结构和光催化位点的高效利用，磁性水凝胶成功将剧毒As(III)和Se(IV)氧化为低毒的As(V)和Se(VI)，去污性能分别达到258.2和46.2 mg g^-1（如图1所示）。近期，研究团队利用碳纳米管径向剪切获得的氧化石墨烯带构筑了三维多孔水凝胶，实现了Cr(VI)污染物的吸附-光还原协同去污。Cr(VI)在水凝胶表面2 min内即可达到吸附平衡，吸附容量达到338.2 mg g^-1。在自然光照射5天后，高毒性的Cr(VI)离子被光催化还原为Cr₂O₃固体纳米球，去污性能也因此提升为687.8 mg g^-1。反应活性位点研究表明：氧化石墨烯中羟基和羧基对于Cr(VI)的吸附-光还原协同去污贡献最为显著（如图2所示）。2022年，研究团队采用自组装方式构筑了酞菁-氧化石墨烯范德华异质结，利用二者π堆积界面间的电子耦合效应实现了范德华异质结能带结构的调控，以及光生电子/空穴的有效分离和传输，进一步提高了氧化石墨烯体系对于As(III)的光催化低毒化性能。该异质结在可见光照射下的污浊水体中依然保持着优异的光催化性能（如图3所示）。

相关研究成果分别发表于：Nanoscale 2018, 10, 1383-1393; Environ. Pollut. 2019, 251, 945-951; Chem. Eng. J. 2019, 358, 552-563; J. Mater. Chem. A 2020, 8, 11362–11369和Chem. Eng. J. 2022, 435, 134998。论文第一作者分别为梁建军助理研究员和丁哲博士，通讯作者为范桥辉研究员。 

上述研究获得国家自然科学基金（21601169, 21601179, 41573128, 21876172, U1732132）、中国科学院百人计划、西部之光、甘肃省自然科学基金（17JR5RA309）及甘肃省油气重点实验室项目（No. 1309RTSA041）等项目的资助。

图 1 基于氧化石墨烯和碳纳米管的三维多孔磁性水凝胶应用于As(III)和Se(IV)污染物的修复

图 2氧化石墨烯带水凝胶对于Cr(VI)污染物的吸附-光催化协同修复

图 3 可见光照射下酞菁-氧化石墨烯范德华异质结对于As(III)的催化钝化

论文链接：

（1）https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/NR/C7NR07966D

（2）https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0269749119303033

（3）https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894718319314

（4）https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/TA/D0TA01847C

（5）https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894722005046