来源:Frontiers of Chemical Science and Engineering 发布时间:2023/8/31 14:09:17
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FCSE | 前沿研究:光-芬顿Ag@MIF-100(Fe)异质结修饰的木质素基电纺纳米纤维膜用于复杂废水修复

论文标题:Lignin-based electrospun nanofiber membrane decorated with photo-Fenton Ag@MIF-100(Fe) heterojunctions for complex wastewater remediation(光-芬顿Ag@MIF-100(Fe)异质结修饰的木质素基电纺纳米纤维膜用于复杂废水修复)

期刊:Frontiers of Chemical Science and Engineering

作者:Guodong Tian, Chao Duan, Bingxu Zhou, Chaochao Tian, Qiang Wang, Jiachuan Chen

发表时间:15 Jul 2023

DOI:10.1007/s11705-023-2309-9

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阅读原文请点击“Lignin-based electrospun nanofiber membrane decorated with photo-Fenton Ag@MIF-100(Fe) heterojunctions for complex wastewater remediation”

背景及意义

随着工业的快速发展,大量废水污染物未经处理或未经完全处理排入地表水环境中,导致了严重的水污染问题。其中,染料作为一类典型的有机污染物,具有排放量大、种类繁多、危害较大等特点,已成为我国有机污染物废水治理的重点与难点。在众多废水处理技术中,膜分离技术因其操作简单、占用空间小、效率高和可大规模应用而成为废水处理领域的研究热点。然而,传统的单功能和化石基膜容易遭受膜污染、适应性差和性能退化,导致在长期运行期间渗透率和分离效率降低。因此,本研究设计提出了使用简单的静电纺丝和原位生长方法来制备修饰有光-芬顿异质结结构的木质素基静电纺丝纳米纤维膜(Ag@MIL-100(Fe)/LENM),用于高效分离油水乳液和降解有机染料。制备的光-芬顿复合膜在复杂废水处理修复中具有良好的应用前景,该研究可为构建绿色、可持续、多功能的废水处理膜材料和技术提供参考。

内容及主要结论

通过静电纺丝和原位生长方法制备了木质素基复合膜(图1a),即Ag@MIL-100(Fe)/LENM,其具有“芯-鞘”结构和光-芬顿催化作用,木质素基电纺纳米纤维作为“芯”,而在纳米纤维表面分散良好的Ag@MIL-100(Fe)异质结作为光催化“鞘”。木质素的引入不仅可以部分取代聚丙烯腈,而且为MIL-100 (Fe)负载提供更多的位点(如官能团和粗糙表面)。此外,原位固定的Ag@MIL-100(Fe)异质结的高孔隙率、亲水性和光-芬顿催化特性赋予LENM优异的油水分离和吸附-催化能力。本研究主要探讨了以下内容:

(1)SEM图和元素映射图像(图1)表明八面体状的MIL-100(Fe)晶体均匀地包裹在静电纺丝纳米纤维上,同时银纳米颗粒也很好地锚定和分散在MIL-100(Fe)的表面,以上结果证明了木质素基光催化复合膜的成功制备。

(2)BET结果表明MOFs的固定化显著提高了复合膜的比表面积和孔隙率,其将有利于污染物的富集。

(3)通过XRD、FT-IR和XPS(图2)对Ag@MIL-100(Fe)/LENM的晶体结构、化学结构和组成进行了一系列表征。其结果进一步证实了Ag@MIL-100(Fe)在LENM上的成功合成和固定。

(4)水接触角结果表明Ag@MIL-100(Fe)的负载显著提高了LENM的润湿性能,这赋予LENM优异的膜通量和油水乳液分离能力,展示了Ag@MIL-100(Fe)/LENM在复杂含油废水净化方面的优异前景。

(5)吸附-光-芬顿催化实验中,Ag@MIL-100(Fe)/LENM对染料表现出最强的光催化活性,表明Ag纳米粒子的高导电性和等离子体效应显著增强了MOFs中光诱导电子与空穴的有效分离,从而促进了复合膜的光催化活性,实现了更高的催化降解效率。

(6)最后,本研究探讨了Ag@MIL-100(Fe)/LENM吸附-光-芬顿催化降解体系的可能机理(图3)。在吸附过程,膜与染料分子之间的相互作用可能包括孔捕获和π-π堆积。至于光-芬顿催化体系,沉积在MIL-100(Fe)表面上的银纳米颗粒由于其高导电性和等离子体效应而进一步促进了光生电子-空穴的有效分离,进而产生更多的强氧化自由基,促进光催化降解效率。此外,铁离子(Fe2+)、H2O2和可见光的协同光-芬顿催化作用也进一步促进了上述降解过程。

图1 (a)光-芬顿木质素基Ag@MIL-100(Fe)/LENM的合成示意图。(b-d) LENM、MIL-100(Fe)/LENM和Ag@MIL100(Fe)/LENM的SEM图像;(e) Ag@MIL100(Fe)/LENM中C、Fe、O、Ag元素的EDS图像

图2 (a-b)LENM、MIL-100(Fe)、MIL-100(Fe)/LENM和Ag@MIL-100(Fe)/LENM的XRD和FT-IR谱图;Ag@MIL-100(Fe)/LENM中 (c) C 1s,(d) O 1s,(e) Fe 2p和(f) Ag 3d的XPS谱

图3 Ag@MIL-100(Fe)/LENM吸附-光-芬顿催化降解染料的可能机理

亮点

(1)制备了可用于废水修复的光催化木质素基Ag@MIL-100(Fe)/LENM,其具有超高的MIL-100(Fe)负载量和芯-鞘结构。

(2)Ag@MIL-100(Fe)/LENM在高的膜通量下依然表现出高效的油水乳液分离和染料去除效率。

(3)Ag@MIL-100(Fe)/LENM表现出超强的润湿性和强大的光-芬顿协同作用。

相关成果以“Lignin-based electrospun nanofiber membrane decorated with photo-Fenton Ag@MIF-100(Fe) heterojunctions for complex wastewater remediation”为题,已发表在Frontiers of Chemical Science and Engineering上(DOI: 10.1007/s11705-023-2309-9)

作者及团队介绍

田国栋(第一作者):陕西科技大学2021级硕士研究生,研究方向为生物质基光催化材料构筑及其在废水处理中的应用。

段超(通讯作者):陕西科技大学轻工学院副教授,主要从事纤维素绿色制备与功能化(溶解浆制备与功能化、纤维素溶解再生、特种纸产品开发等)及生物质功能材料构筑与应用(MOF催化材料、复杂废水治理、生物质储能材料开发等);发表高水平论文60余篇,其中SCI论文40余篇、以第一/通讯作者发表28篇,H指数31。

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