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新型环境功能材料
特邀编审：
王崇臣教授 北京建筑大学环境与能源工程学院
刘文
北京大学环境科学与工程学院
邓积光
北京工业大学环境与生命学部
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纳米材料光催化灭活新型冠状病毒SARS-CoV-2研究进展与启示
陈龙, 刘兆利, 杨旭东, 张偌涵, 孙玮良, 刘文
材料导报
2022,36(20 ):22100084 -12. DOI:10.11896/cldb.22100084
摘要
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由新型冠状病毒(严重急性呼吸综合症冠状病毒2型,SARS-CoV-2)引发的新冠肺炎(COVID-19)疫情全球蔓延,给人类健康和社会经济发展造成了巨大影响,因此,病毒的灭活是目前备受关注的环境公共卫生安全问题。病毒不会在宿主体外立即失活的特点扩展了其传播途径,而水体是SARS-CoV-2传播的重要媒介,尤其是城镇生活污水和医院污水。表面功能蛋白和核酸RNA是SARS-CoV-2的主要组成成分,可被活性物种如氧化性的自由基攻击而破坏,从而实现病毒的灭活。以纳米材料为核心的光催化技术可在光激发后高效产生活性氧物种,能够破坏病毒的结构蛋白、损坏病毒的RNA并影响其发育或阻断其与宿主的结合。本文在分析SARS-CoV-2的环境分布和传播特征的基础上,结合纳米材料光催化技术的核心机理,探讨了纳米光催化技术杀灭新冠病毒的机制,并全面综述了目前纳米材料应用于光催化灭活新冠病毒的研究进展,总结了可应用于该领域的潜在纳米光催化材料。本综述可为开发适用于新冠病毒灭活的光催化纳米材料提供参考,对新冠疫情防控中公共安全保障,尤其是切断病毒环境传播途径具有重要的理论价值和现实意义。
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纳米限域催化剂在高级氧化水处理中的应用研究进展
郭东丽, 赵志远, 尤世界, 刘艳彪
材料导报
2022,36(20 ):22050273 -7. DOI:10.11896/cldb.22050273
摘要
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796
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近年来,纳米限域催化剂由于其独特的结构和理化特性引起了广泛关注,有望通过其解决传统催化氧化水处理过程所面临的催化剂活性低和稳定性差等问题。为进一步深化对纳米限域催化的认识,本文回顾了纳米限域催化剂在不同高级氧化水处理过程中的应用研究进展,归纳了水处理过程中独特的“纳米限域效应”和载体材料的理化特性,总结了纳米限域催化剂在不同高级氧化体系中的催化氧化新机理。最后,提出了纳米限域催化剂在高级氧化水处理过程中面临的挑战及未来发展方向。
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多维度评价
MIL-53(Al)基功能材料的制备及在水处理中的应用
孙雪梓, 王崇臣, 李渝航
材料导报
2022,36(20 ):22070231 -9. DOI:10.11896/cldb.22070231
摘要
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本文综述了MIL-53(Al)、NH
2
-MIL-53(Al)及其复合物的合成方法、形貌调控及作为荧光传感器、吸附剂和催化剂等在水体污染物传感检测、吸附和催化降解领域的应用的研究进展,系统介绍了利用水/溶剂热法、微波辅助法及室温搅拌法制备MIL-53(Al)、NH
2
-MIL-53(Al)及其复合物的反应条件、形貌调控及相关方法。MIL-53(Al)和NH
2
-MIL-53(Al)因在荧光传感检测过程中响应时间快、灵敏度高等特点,被广泛应用于各种污染物的传感检测。MIL-53(Al)和NH
2
-MIL-53(Al)因具有独特的“呼吸效应”,且具有较大的表面积、丰富的活性位点等特点而在吸附去除污染物方面具有良好的发展潜力。为进一步扩展其应用范围,引入第二组分与MIL-53(Al)、NH
2
-MIL-53(Al)复合,可加强MIL-53(Al)基功能材料对水体污染物传感检测、吸附和催化的性能。总之,MIL-53(Al)和NH
2
-MIL-53(Al)作为环境友好型环境功能材料将在水污染控制和修复领域展现出巨大的应用潜力。
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多维度评价
用于液体火灾的环保泡沫灭火剂研究现状
亓磊, 焦金庆, 熊靖, 赖可溱, 韦岳长
材料导报
2022,36(20 ):22040233 -7. DOI:10.11896/cldb.22040233
摘要
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传统水成膜泡沫灭火剂(AFFF)具有良好的灭火性能,是目前扑灭液体火灾最好的灭火剂,但是其组成成分涉及全氟辛烷磺酰基化合物(PFOS)等难分解的物质,严重危害环境。随着各国环保政策法规的日益完善,未来PFOS被全面取代是大势所趋。近年来国内外很多研究者也在积极研发环保泡沫灭火剂,目前研发趋势主要包含两个方向:一个是研发含氟的环保泡沫灭火剂,用短链氟碳表面活性剂来替代长链氟碳表面活性剂,在满足灭火需求的同时减小对环境的危害,虽然环境问题暂时得到解决,但其使用周期较短,且从长远来看是否对环境友好还缺乏直接的证据;另外一个是研发无氟的环保泡沫灭火剂,主要是利用碳氢表面活性剂和其他表面活性剂进行复配,其中使用最多的是有机硅表面活性剂。本文归纳了近年来用于液体火灾的环保泡沫灭火剂的研究进展,分别对含氟和无氟泡沫灭火剂展开介绍,概括了各种环保泡沫灭火剂的研究现状及面临的问题,并对其发展前景进行了合理的分析讨论,以期为制备出效果更好、性能更优、对环境无危害的环保泡沫灭火剂提供参考。
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多维度评价
功能化金属-有机框架材料吸附去除废水中铅离子的研究进展
丁琳, 王鹏翔, 刘浩, 熊谟鹏, 王慧凌
材料导报
2022,36(20 ):22070013 -11. DOI:10.11896/cldb.22070013
摘要
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含铅废水未经处理直接排放到环境中,会对生态系统和人类健康造成严重危害。因此,如何高效、绿色低碳处理含铅废水是目前亟需解决的关键问题之一。金属-有机框架(MOFs)材料因具有结构可调、易于合成、比表面积大和官能团密度高等特点,近年来在吸附去除废水中Pb
2+
的领域取得了众多研究进展。本文系统探讨了功能化MOFs材料的结构和组成特征,对比了不同类型功能化MOFs对水中Pb
2+
的吸附性能和吸附规律,阐述了MOFs材料对Pb
2+
的吸附机理,最后着重分析了MOFs材料在实际吸附去除Pb
2+
应用中存在的挑战,并展望了未来该领域的重点研究方向。
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花状二维氮化碳在模拟太阳光下光催化降解水中磺胺氯哒嗪机理研究
黄韬博, 谢成瀚, 李璠, 王奕沣, 刘文
材料导报
2022,36(20 ):21120162 -6. DOI:10.11896/cldb.21120162
摘要
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以三聚氰胺和三聚氰酸为主要原料,在二甲基亚砜中通过自组装过程形成超分子作为前驱体,再进行热缩聚制备了花状形貌的二维氮化碳光催化材料。采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)和光电化学等对材料进行了系统表征,结果表明所制备的光催化材料为类石墨相的氮化碳(g-C
3
N
4
,SCN)。且相比较于热缩聚法合成的传统体相的氮化碳,SCN由于其超薄、均匀的结构组成,具有更高的光吸收能力和更低的禁带宽度(
E
g
)。另外通过密度泛函理论(DFT)计算,对SCN的光催化激发过程进行了深度机理分析,发现材料独特的超薄氮化碳片和孔道结构抑制了光激发过程后电子-空穴对的复合。以废水中常见的活性药物类污染物磺胺氯哒嗪(SCP)为目标污染物,在模拟太阳光的条件下照射45 min后,目标污染物的去除率为100%,且降解的准一级反应动力学常数(
k
=0.085 min
-1
)约为体相氮化碳的两倍。本研究为可应用于高效制药废水污染净化的光催化系统的开发提供了理论指导,也可为新型光催化材料的开发提供借鉴。
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多维度评价
基于有机硅表面活性剂的环保泡沫灭火剂的制备及灭火性能研究
焦金庆, 韦岳长, 吴京峰, 郎需庆, 尚祖政, 牟善军, 牟小冬, 崔芃雨, 陆鹏
材料导报
2022,36(20 ):22020009 -6. DOI:10.11896/cldb.22020009
摘要
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为了解决传统含氟泡沫灭火剂难以降解和存在生态危害性的难题,本工作研发了基于低毒环保有机硅表面活性剂的环保泡沫灭火剂。实验结果表明,该泡沫灭火剂为均一、稳定的溶液,凝固点为-10.5 ℃,pH值为8.2,发泡倍数为7.2,25%析液时间为4.0 min,表面张力为22.4 mN/m,铺展系数为正值。泡沫混合液的BOD
5
/COD数值为0.37,具有良好的生物降解性和环境友好性以及优异的灭火能力,能成功快速扑灭55B和144B非水溶性易燃液体油盘火,灭火性能满足国家标准(IIA级别)。本研究可为高效环保泡沫灭火剂的研发奠定理论基础并提供实验依据。
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UiO-66(Zr)/海藻酸钠复合材料的制备优化及净化水中As(V)的性能研究
马慧, 方月, 吴一楠, 李风亭
材料导报
2022,36(20 ):22050004 -7. DOI:10.11896/cldb.22050004
摘要
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410
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本工作研究了金属有机骨架UiO-66(Zr)成型材料的制备及其对水中砷酸根离子的吸附净化。通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、氮气吸附和平衡吸附实验等探究了UiO-66(Zr)粉末添加量和复合凝胶微球干燥方式对其成型结构和除砷性能的影响。当UiO-66(Zr) 粉末添加量为50%(质量分数)时,采用闪速冷冻法干燥得到的UiO-66(Zr)/海藻酸钠(SA)复合凝胶微球的物理化学性能最佳。进一步研究了所制备的UiO-66(Zr)/SA复合凝胶微球对水中As(V)的吸附性能,并与某商品除砷材料MN进行对比。结果表明:静态吸附条件下,As(V)初始浓度为20 mg/L、pH值为7.0时,最优成型条件下制备的UiO-66(Zr)/SA复合凝胶微球的最大吸附量为18.65 mg/g;动态填充柱吸附条件下,含1.0 g UiO-66(Zr)的复合凝胶微球材料可净化处理1.2 L初始浓度为100 μg/L的含As(V)水样,出水As(V)浓度低于10 μg/L,UiO-66(Zr)/SA复合凝胶微球的总体效能明显优于MN。结合笔者团队近期在UiO-66(Zr)绿色低成本批量制备方面的研究成果,UiO-66(Zr)/SA复合凝胶微球可作为一种水中As(V)深度净化的潜在新材料。
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岩棉负载纳米零价铁去除溶液中U(Ⅵ)的性能和机理
李小燕, 付晓辉, 李冠超, 王昱莹, 黄希, 刘小亮, 胡伟芳, 刘义保
材料导报
2022,36(20 ):22040131 -7. DOI:10.11896/cldb.22040131
摘要
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333
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通过液相还原法制备岩棉负载纳米零价铁(Nano zero-valent iron loaded on rock wool, RW/nZVI),并利用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、X 射线光电子能谱(XPS)等手段对其物质组成及微观形貌进行表征。以对溶液中U(Ⅵ)的去除能力为考核指标,运用等温吸附模型和动力学模型研究其去除溶液中U(Ⅵ)的机理。结果表明,岩棉负载可以明显改善纳米零价铁的团聚,且对溶液中U(Ⅵ)有较好的去除效果,其吸附等温线符合Langmuir 模型,模拟最大吸附量为79.681 mg/g,动力学过程符合准二级吸附动力学和准一级还原动力学,表明吸附为单分子层吸附,且是通过吸附和还原作用去除溶液中的U(Ⅵ)。
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高能球磨破碎铁掺杂δ-MnO
2
对其电容提升的机理研究
初燕芳, 张琳, 谢彬, 严能, 何俊杰, 李靖
材料导报
2022,36(20 ):22010246 -7. DOI:10.11896/cldb.22010246
摘要
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层状结构的δ-MnO
2
有利于离子扩散和电荷存储转移,但电导率差、比表面积小、结构团聚等缺陷限制了其电容性能。本工作提出了一种高效的辅助工艺,该工艺利用球磨的高能机械冲击力改善δ-MnO
2
的团聚现象,使得致密片层状结构的δ-MnO
2
的粒径显著减小、结构的有序性降低、更多有利于其氧化还原反应快速进行的活性位点被暴露,有利于赝电容和扩散电容的提升。通过研究材料的晶体结构、形貌特征以及元素组成,探究球磨对材料电化学储能的影响机制。电化学测试结果表明,球磨后的δ-MnO
2
表现出更优异的电容性能。在电流密度为0.5 A·g
-1
时,δ-MnO
2
的比电容为237.5 F·g
-1
,较未球磨的δ-MnO
2
纳米片提高250%;在0.5 A·g
-1
的电流密度下循环10 000次,δ-MnO
2
仍能保持90.4%的初始电容。通过对球磨前后的 δ-MnO
2
电化学性能进行综合评估,证明了球磨辅助处理是提升其电容性能的有效手段。
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多维度评价
Cu-ZnO/g-C
3
N
4
复合材料可见光催化降解环丙沙星效率及机理研究
蒋柱武, 史安童, 沈俊宏
材料导报
2022,36(20 ):22030040 -7. DOI:10.11896/cldb.22030040
摘要
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317
）
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（4880KB）（
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）
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针对抗生素类新型污染物在水环境中的污染现状及治理问题,本研究制备了Cu掺杂ZnO耦合g-C
3
N
4
的复合材料(Cu-ZnO/g-C
3
N
4
),并考察其在可见光下催化降解抗生素环丙沙星(CIP)的反应效率。通过X射线衍射(XRD)、红外光谱(FTIR)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)、荧光光谱(PL)和电子自旋顺磁共振(ESR)等分析手段对合成材料进行了表征,借助羟基自由基(·OH)测量技术量化了不同材料反应体系中·OH生成浓度的变化,进一步探究可能的光催化反应机理。结果表明,Cu-ZnO/g-C
3
N
4
复合材料在其异质结效应下具有极佳的可见光响应和增强的电荷转移性能,反应6 h后对CIP的去除效率高达97%,反应速率常数分别是ZnO、Cu-ZnO、g-C
3
N
4
的6.19倍、2.41倍和2.06倍,Cu-ZnO/g-C
3
N
4
复合材料是一种可用于去除水中微量污染物的高效可见光催化材料。
参考文献
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