湖南农业大学Kailin Liu和Lianyang Bai课题组–β-环糊精还原氧化石墨烯气凝胶的制备及其在除草剂吸附中的应用

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