基于杂原子掺杂有序介孔碳的水体典型污染物检测与去除研究

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有序介孔碳(OMC)材料是近几十年来新兴的碳材料,具有高比表面积、可调控的孔径大小、高度有序的介孔结构以及良好的催化性能和导电性能。通过杂原子的掺杂可以在OMC表面引入大量缺陷结构和活性官能团,有利于提高其导电性能和催化性能,使得OMC材料在污染物检测和催化去除方面具有广阔的应用前景。本文分别探究了氮硫共掺杂和硫掺杂两种OMC分别在重金属检测和有机污染物催化去除方面的应用。一方面提出了一种利用氮硫共掺杂有序介孔碳(SN-OMC)和T-Hg2+-T错配结构检测水体中Hg2+的电化学适配体传感器。该适配体传感器使用二茂铁作为信号分子来实现电流信号的转换。在不存在Hg2+的情况下,硫醇修饰的富含T的探针1通过碱基配对自发地形成发夹结构。当Hg2+存在时,由于在P1和P2之间优先形成T-Hg2+-T错配结构,探针1的发夹结构被打开,二茂铁信号分子接近被修饰的电极表面。其中,具有高比表面积和充足活性位点的SN-OMC充当电化学传感中的信号放大元件。通过分析二茂铁信号分子引起的氧化电流变化与Hg2+浓度之间的关系,可以实现对Hg2+的灵敏测定。该适配体传感器在0.001-1000nM的范围内具有良好的线性相关性,检测限为0.45pM。此外,该适配体传感器在实样检测中也表现出良好的响应,为原位高效检测水体中的重金属离子提供了可能性。另一方面利用硫掺杂有序介孔碳(S-OMC)作为无金属催化剂对水体中的对硝基苯酚(PNP)进行催化去除。通过合成三种不同硫掺杂量的S-OMC来活化过硫酸盐(PS)降解PNP。其中,中硫掺杂量(2.0 wt.%)的S-OMC活化效果最明显,对PNP的去除率可达82.02%。可见,适量的杂原子引入对活化效果十分重要。且在未调节污染物溶液的pH和常温条件下就能实现最佳实验效果,这能够为该方法的实际应用节省能量和减少化学输入。此外,还对S-OMC的结构特征和表面特性进行了研究,实验结果分析发现缺陷结构和表面官能团对S-OMC的可重用性有着显著影响。更重要的是,本研究还检测到自由基活化和非自由基活化两种污染物降解途径。自由基途径是通过产生羟基自由基(˙OH)、硫酸根自由基(SO4˙ˉ)和超氧自由基(O2˙ˉ)来氧化污染物。其中,˙OH占主导地位。而非自由基途径则是通过PNP,S-OMC和PS三者之间的连续电子传递来降解污染物。本研究不仅为杂原子掺杂有序介孔碳材料的应用提供了新的视角,还为有机污染物的去除提供了一种简便有效的方法。
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