ACS ES&T Eng. | 可见光下碳量子点和高铁酸盐(VI)协同降解2,4,4'-三羟基二苯甲酮

英文原题：Synergistic Degradation of 2,4,4′-Trihydroxybenzophenone Using Carbon Quantum Dots, Ferrate, and Visible Light Irradiation: Insights into Electron Generation/Consumption Mechanism

通讯作者：王传义，陕西科技大学

作者：Afzal Ahmed Dar, Muhammad Usman, Zhang Wei, Qiuhui Zhu, Bao Pan, Atif Sial, Chuanyi Wang

近日，陕西科技大学王传义教授团队利用可见光下高铁（VI）和碳量子点（CQD）的协同效应降解2,4,4'-三羟基二苯甲酮（2,4,4'-HBP），协同降解率达到了99.9%。通过系列表征及理论验证揭示了协同作用下体系中电子产生及消耗机制。

药品被广泛用于人类、动物和植物的疾病治疗。同时，人类每年将大量的药物肆意排放到环境中引起了许多健康和环境问题。然而，尽管高效的氧化技术是减轻药品污染及其产生的环境毒性效应的有效措施，但是仍然受到有毒中间产物的产生和环境恶化的限制。因此，需要进一步提高常用高级氧化技术去环境中废弃药物的氧化效率。基于此，陕西科技大学王传义教授团队利用高铁酸盐和碳量子点（CQD）开发了协同氧化技术，并实现了以下突破：（1）通过改变表面化学和猝灭CQD的聚集来限制晶体结构中的分子旋转和振动；（2）通过光致发光光谱阐明高铁酸盐和CQD的电子产生和消耗机制，通过协同作用机制实现了对2,4,4'-HBP的高效降解。

图1.碳量子点的（a）XRD，（b）TEM，（c）元素分布图和（d）氧分布图

如图1所示，实验结果表明单步准备的量子点表面具有丰富的氧含量，能够促进羟基自由基的产生从而高效降解有机污染物。

 图2.在不同条件下的发射光谱（A）CQDs + H₂O（B）CQDs +缓冲液，（C）CQDs +高铁（VI） + H₂O和（D）CQDs + 高铁（VI） +缓冲液

CQDs的发射强度可以通过CQDs光激发过程中的电子产生来证明。如图2a和2b所示，在反应系统中没有铁酸盐的情况下，可以观察到其发光强度最大（信号强度：70,000和56000）。然而，当将高铁（VI）引入反应系统中，信号强度降低了约96％（图2c），这与高铁（VI）消耗产生的电子有关（信号强度：2600）和图2（d）（信号强度：24000）。

 图3.高铁（VI）（0.2mM）和CQDs（0.02mg）在相同反应条件下的不同体系的降解曲线（0.02mM的2,4,4'-HBP，pH =8.0，温度为25℃），Vis代表可见光照射。在单剂量法中，在一次剂量中一次性添加全部量的氧化剂。在多剂量法中，将高铁酸盐溶液的总量分成五等份，然后依次添加。

实验证明CQDs+高铁（VI）是降解2,4,4'-HBP的最佳反应体系，降解率为99.9%；而CQDs（63%）或高铁（VI）单一体系对于2,4,4'-HBP的降解率分别为85%和96%（图3）。利用液相色谱-质谱（LC-MS）分析了降解过程中C-C裂解、羟基化和交联中间体的产生。此外，电子顺磁共振（EPR）显示高铁酸盐+CQDs反应体系中存在羟基。通过前沿电子密度（FED）分析，阐明了CQDs和2,4,4'-HBP的反应位点，计算出CQDs的2Fed²HOMO（C9:0.2230）和Fed²（HOMO）+Fed²（LUMO）（C19:0.6970）的最高值，以及2,4,4'-HBP的2FeD²HOMOMO（C3:0.2601）和Fed²（HOMOO）+（LUMO）在（C7:0.1640）的最大值（图4）。

图4. CQD和2,4,4'-HHB的 DFT分析。（A） 高铁酸盐结构；（B）CQDs结构；（C）2,4,4'-HHB结构，而黄色框表示2Fed²HOMO值，以及（D）表示2,4,4'-HHB的分子轨道分布。

相关研究结果发表在ACS ES&T Engineering上，陕西科技大学博士后Afzal Ahmed Dar为文章的第一作者，王传义教授为通讯作者。

作者简介：

王传义 教授

王传义，德国洪堡学者、英国皇家化学会会士、陕西科技大学特聘教授、环境学院学术院长、博士生导师、武汉大学兼职教授，中科院 “干旱区水体污染监控技术”创新国际团队和中科院“微纳环境功能材料结构设计、表界面行为及其应用”交叉创新团队负责人，德国洪堡基金会联合研究小组中方负责人、陕西省“西北生态环境材料与技术” 创新引智基地和西安市国际科技合作基地 (“生态环境材料与绿色低碳技术” 国际联合研究中心) 负责人，中国能源学会常务理事、中国能源学会专家委员会新能源专家组副主任委员、中国可再生能源学会光化学专业委员会委员、中国感光学会光催化专业委员会委员、中国环境科学学会特聘理事。在 Chemical Reviews, JACS, Nature Communications, Angew. Chem. Int. Ed., ACS Nano, ACS Catalysis, Environmental Science & Technology 等国际重要学术刊物上发表论文270 余篇，共被引用 13700多次，单篇被引用 100 次以上的文章有 41 篇， H-指数值 66，主编英文专著 1 部，获授权中国发明专利 50 余件。应邀担任国际杂志 Environmental Chemistry Letters 副主编 （IF 13.6），获德国洪堡学者奖 (1998) 、中国材料研究学会科学技术奖二等奖 (2011)、中国天山奖 (2014)、中国科学院 “引进海外杰出人才” 终期评估优秀奖 (2015)、中国侨界贡献奖 (创新人才， 2016)及国际先进材料学会科学家奖 (2020)，入选英国皇家化学会会士 (2018)、国际先进材料学会会士 (2022)、全球顶尖前 10 万名科学家排名 (2021、 2022 全球学者库)、全球前 2%顶尖科学家年度榜单和长期综合榜 (2021 美国斯坦福大学发布)。

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ACS EST Engg. 2022, ASAP

Publication Date: July 28, 2022

https://doi.org/10.1021/acsestengg.2c00118

Copyright © 2022 American Chemical Society

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