咖啡渣驱动的环保新星:碳基光催化剂原位生成活性氧杀菌

1、引言

当前光催化技术以高效产氢和去除污染物为主要应用方向,其中光催化制氢过程中常需要牺牲剂的参与,而光催化净化水体则依赖于过氧化氢(H₂O₂)的生成和活化。如何实现无牺牲剂条件下的高效H₂O₂原位生成及其有效活化,一直是该领域的关键挑战。本文提出一种基于廉价废弃物咖啡渣制备的水热碳基复合光催化材料,能够在无需任何牺牲剂的情况下,通过自身的光生电子-空穴对分离和Fenton过程的协同作用,高效原位生成并活化H₂O₂,从而实现对细菌的有效杀灭,为环境修复提供新思路。

2、结果与讨论

2.1 生物质废弃物水热转化制备绿色光催化材料

水热碳化(HTC)是一种将生物质废弃物如咖啡渣等转化为富含碳的材料的绿色工艺,产物具有较高的比表面积和导电性,因此在吸附、电化学以及光催化领域均有广泛应用前景。相比于传统的热解法,HTC工艺温和、能耗低,且可将生物质转化为高附加值的碳材料,体现了资源循环利用的优势。本研究选用咖啡渣作为原料,采用简单的水热法制备得到了具有纳米尺度的水热碳(HTC-cf)。这种由廉价、可再生的生物质废弃物衍生的碳材料,不仅具有优异的光吸收、电子传输等性能,而且合成过程绿色环保,为实现光催化应用的低碳化提供了新思路。

2.2 高效原位H₂O₂生成及其活化

为进一步提升HTC-cf的光催化性能,研究人员将其与具有配体-金属电荷转移(LMCT)性质的NH₂-MIL-101(Fe)金属有机框架复合,形成HTC-cf/NMIL-101(Fe)异质结构。该复合材料在可见光照射下,能够通过二电子氧气还原过程,实现高达612 μmol/g/h的H₂O₂原位光生成速率,而无需任何牺牲剂或曝气等辅助手段。这主要得益于HTC-cf优异的光吸收和电子传输性能,以及NMIL-101(Fe)特有的Fenton-like活性。此外,NMIL-101(Fe)中Fe物种与HTC-cf之间的高效电荷分离,促进了Fe³⁺/Fe²⁺的循环,从而大幅提升了H₂O₂的活化分解能力,使得与HTC-cf单一组分相比,H₂O₂分解速率常数提高5倍。这种自生成、自活化的过氧化氢原位产生过程,不仅避免了传统Fenton过程中存在的铁离子流失和窄pH适用范围等问题,而且为光催化技术在实际环境治理中的应用提供了新的突破口。

2.3 高效杀菌性能及其机理

基于出色的H₂O₂生成和活化能力,HTC-cf/NMIL-101(Fe)复合光催化剂在可见光照射下表现出优异的杀菌性能。实验证明,该复合材料对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有显著的杀灭效果,甚至在实际水体中也能有效抑制细菌生长,为实际环境修复提供了新的有效途径。通过自旋共振波谱(ESR)分析,发现HTC-cf/NMIL-101(Fe)在可见光照射下,能够高效产生活性氧自由基,如超氧自由基和羟基自由基,这些活性物种在细菌杀灭过程中扮演着关键角色。

进一步的机理研究表明,HTC-cf作为光吸收组分,能够有效利用可见光激发产生电子-空穴对。其中,光生电子通过加速NMIL-101(Fe)中Fe³⁺向Fe²⁺的转化,促进了H₂O₂的有效分解产生•OH。而NMIL-101(Fe)中的Fe物种又能通过Fenton-like反应进一步活化H₂O₂,形成额外的•OH,从而大幅提升了整个体系的氧化性能。另一方面,HTC-cf优异的电子传输性能,也有助于提高光生载流子的分离效率,抑制复合,最终确保了光生载流子能够有效参与到H₂O₂的生成和活化之中。这种基于原位H₂O₂产生和活化的光催化-芬顿协同机制,使HTC-cf/NMIL-101(Fe)复合材料在细菌杀灭方面表现出了卓越的性能。相比于传统芬顿过程,该方法无需额外添加任何牺牲剂或辅助手段,在开放环境下即可实现,大大拓展了光催化技术在环境修复领域的应用范畴。

3、未来展望

HTC-cf/NMIL-101(Fe)复合光催化剂的创新设计为高效H₂O₂生成和活化开辟了新思路,为解决光催化技术在实际应用中的关键瓶颈提供了切实可行的解决方案。后续研究可进一步优化材料结构和配方,提升光催化性能,并探索其在更广泛的环境修复领域,如重金属去除、有机污染物降解等方面的应用潜力。同时,还可结合先进表征手段深入探究材料内部的电荷转移机制,进一步优化电子-空穴对的分离与转移过程,从而进一步提高H₂O₂的生成和活化效率。此外,还可考虑将该光催化-芬顿反应协同体系应用于实际污水处理、医疗消毒等场景,以推动绿色、高效、可持续的环境修复技术的发展。

参考文献

Yiting Lv, Jinjuan Xue, Zhaoxia Chen, Jianan Qu, Kaiwen Huang, Mingxin Wang, Wei Sun, Development of hydrothermal carbonaceous carbon/NH₂-MIL-101(Fe) composite photocatalyst with in-situ production and activation of H₂O₂ capabilities for effective sterilization, Chemical Engineering Journal, Volume 498, 2024, 155263. https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.155263.