除草剂是容易污染水体的主要杀虫剂,如何有效去除水环境中的除草剂残留引起了研究人员的极大关注。本研究以 1,2,3,4-丁烷四羧酸(BTCA)为交联剂,采用自组装水热法制备了一种 β-环糊精还原氧化石墨烯(β-CD-BTCA-rGO)气凝胶。自组装过程包括 “软 “β-环糊精(β-CD)与 “硬 “氧化石墨烯(GO)纳米片交联,形成稳定的β-CD-BTCA-rGO 气凝胶。制备的 β-CD-BTCA-rGO 气凝胶具有优异的吸附性能。其对磺胺噻唑和喹草酸的吸附量分别为 62.3 和 46.8 mg/g,超过了传统的还原氧化石墨烯(rGO)气凝胶和柠檬酸交联(β-CDCA-rGO)气凝胶。相应地,它对喹草酸的吸附容量分别是 rGO 气凝胶和 β-CD-CA-rGO 气凝胶的 1.8 倍和 12 倍。利用 Fukui 函数预测化学反应位点的密度泛函理论(DFT)量子化学计算表明,BTCA 作为交联剂,通过羟基和羧基表面官能团与 GO 形成稳定的化学键(酯键),从而形成稳定的多孔气凝胶。此外,还定量测定了各种吸附机理的最高占据分子轨道-最低未占据分子轨道(HOMO-LUMO)能隙,发现静电吸附是气凝胶吸附的主要力量。本研究制备的 β-CD-BTCA-rGO 气凝胶证明了其作为吸附剂的经济可行性和良好的重现性。因此,β-CD-BTCA-rGO 气凝胶在修复水系统中的农药污染方面具有广阔的应用前景。
Fig 1. rGO 气凝胶(a)和 rGO 气凝胶的扫描电镜图像(b);β-CD-BTCA-rGO 气凝胶(c)和 β-CD-BTCA-rGO 气凝胶的扫描电镜图像(d);β-CD-CA-rGO 气凝胶(e)和 β-CD-CA-rGO 气凝胶的扫描电镜图像(f)。
Fig 2. rGO 和 β-CD-BTCA-rGO 气凝胶的 N2 吸附和解吸等温线(a)和孔径分布(b);rGO 和 β-CD-BTCA-rGO 气凝胶的傅立叶变换红外光谱(c);吸附后 β-CD-BTCA-rGO 和 β-CD-CA-rGO 气凝胶的傅立叶变换红外光谱(d);rGO 和 β-CD-BTCA-rGO 气凝胶的 XPS 光谱(e);GO、rGO 和 β-CD-BTCA-rGO 气凝胶的 XRD 图样(f)。
Fig 3. 气凝胶的形成过程。
Fig 4. 不同β-CD浓度的β-CD-BTCA-rGO气凝胶、rGO和β-CD-BTCA-rGO气凝胶(a)对喹草酮的吸附量;β-CD-BTCA-rGO气凝胶对磺胺噻唑(b)和喹草酮(c)的吸附动力学;描述磺胺噻唑(d)和喹草酮(e)在β-CDBTCA-rGO气凝胶上吸附的粒内扩散模型。
Fig 5. 硫腙(a)和喹草酮(b)在不同温度下的吸附等温线;ln Ce 与 1/T 的关系图,用于估算硫腙和喹草酮在气凝胶上吸附的热力学参数(c)。
Fig 6. 气凝胶对磺胺腙和喹咯草酮的吸附机理。
Fig 7. (a)β-CD-BTCA-rGO 的 C1s 解旋;(b)吸附了磺胺噻唑后的β-CD-BTCA-rGO;(c)吸附了喹啉酸后的β-CD-BTCA-rGO;(d)β-CD-BTCA-rGO 的 O1s 解旋;(e)吸附了磺胺噻唑后的β-CD-BTCA-rGO;(f)吸附了喹啉酸后的β-CD-BTCA-rGO。
Fig 8. 不同 pH 值(a)和不同 NaCl 浓度(b)下,磺草酮和喹草酮在β-CD-BTCA-rGO 气凝胶上的吸附量;循环时间对β-CD-BTCA-rGO 气凝胶吸附喹草酮(c)和磺草酮(d)的影响。不同的小写字母表示不同处理之间存在显著差异(p < 0.05)。
相关研究成果由湖南农业大学Kailin Liu和Lianyang Bai课题组于2024年共同发表在《Journal of Cleaner Production》期刊上,Preparation of β-cyclodextrin-reduced graphene oxide aerogel and its application for adsorption of herbicides,原文链接:https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2024.143109
本文来自石墨烯研究,本文观点不代表石墨烯网立场,转载请联系原作者。