鄂正阳——纤维素和木质素生物炭对于Cr(VI)的光还原差异性研究获新进展

 据统计，目前我国土壤、沉积物和水环境中生物炭的累积存量高达3000 ~ 5000亿吨，并且由于生物炭在农业、环境、能源等领域的广泛应用，每年仍以4.2亿吨产量激增。生物炭的大量使用势必对环境产生不可估量的影响。尤其近期，随着生物炭光催化活性的发现，生物炭对于环境中氧化还原过程的调控作用更是成为研究的焦点。生物炭的共轭骨架结构与其光催化活性及反应路径密切相关，然而其骨架结构受生物质源及热解温度的影响，表现出显著的多样性。目前，生物炭光催化的环境属性研究尚处于起步阶段，不同生物质源和热解温度对于生物炭结构及其光催化过程的调控过程和分子机制尚不清楚。

 近期，中国科学院西北生态环境资源研究院范桥辉团队分别以富含纤维素和木质素的小白菜和玉米芯为生物质源，在不同热解温度下制备了一系列生物炭，探究了纤维素和木质素生物炭对于典型变价污染物Cr(VI)的光催化还原性能。研究结果表明：低温热解时，纤维素中不稳定的D-葡萄糖链易于快速降解，导致纤维素生物炭中产生较多的含氧官能团；而木质素中芳香结构较为稳定，因此产生的生物炭中存在较多的芳香骨架。这些结构特征引发了纤维素和木质素生物炭光吸收、电导率、光电流响应和能带的显著性差异，进行影响二者的光还原性能：纤维素生物炭对于Cr(VI)的光还原效率约为木质素炭的1.3倍。虽然两种生物炭的可溶组分存在明显的结构差异，但均主导了生物炭光催化还原Cr(VI)的整个过程。纤维素生物炭中光活性的70%来自于其可溶组分，而木质素炭中几乎为100%。对于两种生物炭而言，界面电子传输均是Cr(VI)光还原的关键反应途径。不同于木质素生物炭，在纤维素炭中，·O₂^-对Cr(VI)的还原也有相当的贡献。该研究从分子水平上揭示了生物炭的结构演化对于Cr(VI)光催化反应的调控机制，为评估环境中生物炭对变价元素地球化学循环的调控作用提供了理论基础。

 相关研究成果以Different photoreduction processes of Cr(VI) on cellulose-rich and lignin-rich biochar为题发表在环境科学领域重要期刊Environmental Research。博士生鄂正阳为论文第一作者，范桥辉研究员为通讯作者。该研究获中科院青年创新促进会、废旧矿山修复治理甘肃省引才引智基地和甘肃省重点实验室等项目的支持。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.envres.2023.116819

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图1 富含纤维素木质素生物炭与Cr(VI)相互作用机制图