CREST新文 | 南工大俞亚东团队：石墨烯以外的二维材料在检测和去除抗生素领域中的应用进展

导 读

南京工业大学俞亚东团队在Critical Reviews in Environmental Science and Technology（CREST，《环境科技评论》）期刊发表题为“石墨烯以外的二维材料在检测和去除抗生素领域中的应用进展(Two-dimensional materials beyond graphene for the detection and removal of antibiotics: A critical review. DOI: 10.1080/10643389.2021.1929001, online: 27 May 2021)” 的重磅综述。

由于抗生素的广泛使用，抗生素正逐渐渗透到自然环境中，对人类健康和生态安全构成了重大威胁。因此，迫切需要有效可行的方法用于抗生素检测和去除。在石墨烯成功应用的推动下，许多具有独特理化性质的其他二维材料（Two-dimensional materials beyond graphene，2DMs-bg）被应用于抗生素污染处理。本文从抗生素检测、吸附和降解三个方面总结了5种2DMs-bg（二硫化钼（MoS₂）、层状双氢氧化物（LDHs）、石墨氮化碳（g-C₃N₄）、六方氮化硼（h-BN）和过渡金属碳氮化物（MXenes））的最新应用进展以及相关机制。例如，2DMs-bg可通过电化学传感、光电化学（PEC）传感或荧光猝灭检测抗生素；它们还被用于制备复合材料，可以通过光催化降解、类芬顿降解、吸附和其他物理化学机制有效去除抗生素等（图1）。最后，通过对这5种2DMs-bg在该领域的应用研究存在的挑战进行总结，并对未来研究进行展望。

图1 2DMs-bg在抗生素检测、吸附和降解中的应用和机制

主要内容

（1）检测抗生素中的应用和机制

由于MoS₂和g-C₃N₄是带隙可调的层状半导体，独特的光致发光和光电化学（PEC）特性，使得这些材料可被用于电化学、PEC和荧光猝灭方法来检测抗生素。尽管使用MoS₂和g-C₃N₄检测抗生素的研究仍处于初级阶段，但这两种2DMs-bg已经表现出比石墨烯更好的检测性能。例如，MoS₂的可调带隙可防止漏电流，并允许绝缘状态和导电状态之间的转换具有完美的可控性。这确保了设计的基于MoS₂的场效应晶体管（FET）传感器具有高开关比和出色的灵敏度。相比之下，基于石墨烯的FET传感器具有零带隙且无法关闭，从而导致漏电流和更大的不准确性，MoS₂和g-C₃N₄已应用于通过电化学、荧光、PEC或基于FET的方法检测常见抗生素的传感器中，其检测原理如图所示（图2）。

图2 基于MoS₂和g-C₃N₄的电化学检测（A）、荧光检测（B）、光电化学检测（C）、FET检测（D）抗生素的机制

（2）吸附抗生素中的应用和机制

由于简单且操作成本低，吸附被认为是一种有潜力的去除抗生素的技术。迄今为止，少数研究已经使用MoS₂、LDHs和h-BN来吸附抗生素以达到净化目的。它们与抗生素之间吸附的主要相互作用包括π-π相互作用、静电相互作用、阴离子交换、疏水相互作用和氢键。使用MoS₂、LDHs和h-BN进行抗生素吸附的研究目前仍处于初级阶段。MoS₂的最大抗生素吸附容量在200至500mg/g范围内，与基于石墨烯的吸附剂相当。LDH对于抗生素吸附能力优异，一项研究报告其qmax值高达4314mg/g。然而，需要更多的研究来证实LDHs对不同抗生素的吸附能力，因为一些研究表明LDHs可能只是阴离子有机污染物的良好吸附剂。h-BN的抗生素吸附能力优于目前大多数基于石墨烯的吸附剂，但h-BN的实际应用由于其合成困难受到限制。

（3）降解抗生素中的应用和机制

上述的吸附技术只能将废水中的抗生素转移到吸附剂上，而不能彻底消除它们，这样可能会造成二次污染。因此，基于光催化降解或芬顿反应等原理的高级氧化工艺（AOPs）在去除环境中的各种有机污染物方面表现出巨大潜力。AOPs主要依赖于高氧化活性氧对有机污染物的化学攻击。目前，2DMs-bg已被广泛应用于AOPs方法来矿化抗生素（图3）。其中，研究最深入的2DM-bg是g-C₃N₄，其次是MoS₂，它们主要可以通过光催化反应降解抗生素。

图3 A: 2DMs-bg参与的芬顿、电芬顿和光芬顿反应；B：MoS₂，g-C₃N₄和CuFe-LDH加速Fe²⁺/Fe³⁺循环的机制；C：Me-doped g-C₃N₄ 促进PMS活化的机制

总结与展望

本文从检测、吸附和降解三方面，系统总结了5种石墨烯以外的二维材料在处理抗生素污染领域的研究进展，并提出以下展望：

1. 虽然一些2DMs-bg在抗生素污染治理领域已经展示出良好的应用潜力，但是许多其他2DMs-bg的潜力仍有待开发（例如除MoS₂外的其他TMD材料尚未被研究）。

2. 很少有研究探讨2DMs-bg复合材料的防污性能和表面化学特性。了解这些信息，将对于与废水的长期接触的实际应用中，评估这些材料的环境行为至关重要。

3. 因为这些2DMs-bg最终将被释放到环境中，因此需要更多研究了解这些2DMs-bg对生态系统的影响，特别是它们自身的毒性作用。特别需要调查2DMs-bg和抗生素共存时的毒性效应。

4. )其他污染物（如有机酸、无机纳米颗粒）对2DMs-bg基材料吸附抗生素能力的影响需要进一步研究。

5. 只有少数传感器（如MoS₂/DNA适配体电化学传感器）在抗生素中检测时，表现出良好的检测特异性。目前大多数的基于2DMs-bg的传感器没有测试其检测特异性。

6. 2DMs-bg在检测、吸附和降解抗生素仍处于初级阶段，在实际应用之前，我们必须充分考虑这些材料的性能、稳定性、成本、可重复使用性、环境行为等问题。

作者简介

俞亚东，东南大学博士，瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH-Zurich）访问学者，现为南京工业大学生物与制药工程学院副教授，硕士生导师，2014年获全国生物材料大会优秀论文奖，2015年获国家自然科学基金青年基金资助，2016年承担国家863计划子课题，同年入选江苏省科协“首席专家”计划，2017年获南京工业大学“科研到款贡献奖”， 2021年入选江苏省“双创计划”科技副总。

主要从事：（i）基于功能纳米材料与微生物结合实现环境污染物降解及农林废弃物资源化利用；（ii）食品保鲜储藏材料制备与应用。目前已在环境、食品领域顶级期刊Water Research、Journal of Hazardous Materials、Critical Reviews in Biotechnology、Critical Reviews in Environmental Science and Technology、Trends in Food Science & Technology、Journal of Agricultural and Food Chemistry，以及Chemosphere、Journal of Proteomics、ACS Biomaterials Science & Engineering等国际主流期刊上，以第一/通讯作者发表SCI论文30余篇（1篇入选封面论文）。

陆玲霞，南京工业大学硕士生，目前主要开展功能材料与微生物交叉实现化学品的合成和污染物降解。

杨齐，南京工业大学博士生，目前研究兴趣集中在持久性有机污染物处理。

点击下方蓝字阅读原文

|供稿：南京工业大学俞亚东团队

|编排：代子雯（CREST期刊推广员）

环境科技评论CREST

回溯展望·美丽世界

公众号投稿、合作：[e-mail] 

往期推荐