JHM | 湖南农业大学MEE团队在功能化生物炭去除残留农药方面取得新进展

近日，湖南农业大学MEE团队在综合领域高水平刊物Journal of Hazardous Materials(IF=14.224)杂志在线发表题为“BC_OFGs loaded with nano-Fe_xS_y for the catalytic degradation of QNC: contribution and mechanism of OFGs for reductive iron regeneration”的研究论文。

目前，已有研究表明纯生物炭表面的含氧官能团(OFGs)为Fenton-like系统中的自由铁离子提供电子，促进Fe(III)/Fe(II)循环，提高有机污染物甲草胺的降解效率。这也证实了生物炭的催化性能取决于其表面的OFG含量。这也进一步说明，在废水处理中生物炭作为一种稳定的载体对纳米硫铁矿利用效率和稳定性的提高是一种可行的新思路。但是，现有的研究都是将含有金属纳米颗粒的生物炭作为简单的支撑物，或者将生物炭表面的OFGs(如羟基、羰基、羧基、酮基和醌基)作为激活过硫酸盐的活性点。这些研究倾向于单独分析生物炭和金属纳米颗粒的作用，而对二者之间的具体关系和可能的催化机制仍未探索。因此，进一步阐明生物炭上的纳米黄铁矿和OFGs之间可能的催化机制对于水污染处理具有重要的理论意义。为了阐明生物炭表面OFGs和nano-Fe_xS_y在污水处理过程中对有机污染物降解的作用机制，研究团队设计了高性能的纳米黄铁矿负载的生物炭材料(BC_OFGs@nano-Fe_xS_y)去除有机污染物二氯喹啉酸，并进一步探索了生物炭表面含氧官能团与nano-Fe_xS_y在过硫酸盐体系中的作用和贡献。

生物炭表面OFGs协同Nano-Fe_xS_y对二氯喹啉酸的催化降解机制

图1. (a) QNC在不同催化剂系统中的降解过程；(b) 不同催化剂的电化学实验(LSV)；(c) BC_OFG和使用后的BC_OFG的XPS光谱结果；(d-e) 不同催化剂在0.2 mM Fe³⁺体系中对QNC的去除效率和相应的动力学；(f) 不同催化剂体系在QNC降解过程中的Fe²⁺浓度，(g) 不同催化剂在0.2 mM Fe³⁺体系中对QNC的去除效率；(h) 不同体系中Fe²⁺浓度的变化；（i）2.0 mM Fe³⁺和2.0 mM Fe²⁺对QNC的去除过程。

该研究团队通过设计不同催化剂的对比实验和分析不同催化剂的材料表征探索复合材料中BC_OFGs和nano-Fe_xS_y的作用(图1)。根据对复合材料表面的BC_OFGs和nano-Fe_xS_y在催化过程中的作用探索，提出了BC_OFGs@nano-Fe_xS_y/PDS系统中有效去除二氯喹啉酸的可能机制(图2)。复合材料表面的Fe(II)作为电子供体直接活化PDS产生SO₄^•−等自由基氧化降解QNC。S(II)物种被用作电子供体直接还原Fe(III)，然后产生活性物质Fe(II)来催化PDS攻击QNC分子。BC_OFGs作为稳定的支撑物，有利于纳米FexSy的分散，防止其表面的活性位点被覆盖。此外，生物炭表面的羟基、羧基和羰基被当作活性物质与PDS直接反应，产生用于去除QNC的活性自由基SO₄^•−和相应的含氧功能团自由基。其中，羟基官能团为Fe(III)物种提供电子形成Fe(II)，直接参与PDS的活化并高效氧化降解QNC。基于对铁、S(II)物种和OFGs作用的比较实验和研究，发现生物炭材料表面的OFGs协同纳米Fe_xS_y催化降解QNC。BC_OFGs@nano-Fe_xS_y对QNC的降解效率在五个循环后仍高达91.39%，充分证明了OFGs和S(II)作为丰富的电子供体与铁物种配合对QNC进行催化降解，这进一步提高了nano-Fe_xS_y的催化性能和稳定性。总的来说，BC_OFGs作为稳定的支持物和电子供体增强了纳米nano-Fe_xS_y的催化活性，其中BC_OFGs上的羟基为nano-Fe_xS_y提供了还原位点有效地激发了羟基官能团还原铁(III)物种的潜力。

图2. BCOFGs@FexSy/PDS系统中二氯喹啉酸的去除机制

MEE课题组，近年来一直以各类生物质为原材料，基于原料筛配、过程控制、试剂辅助、方式耦合、参数优化等方式，开展生物炭的定向制备、调控改性及高效功能化等方面的研究，重点关注治污菌群、金属/金属化合物、营养物等功能成分的负载联用，并将所获得的功能化生物炭(复合)材料应用于重金属污染固持、土壤生态修复、工业污水净化等环境治理与农业生态领域。目前拥有“湖南省光学农业工程技术研究中心”和“生物炭湖南省工程研究中心”两个省级科研平台，2021年与农学院成立农用化学材料学科交叉联合实验室，共同开展研究，同时获批筹备国际农林有机废弃物综合利用专业科技创新院。现有专职研究人员8名，博士研究生7名，硕士研究生30余名，在SCI期刊累积发表研究论文120余篇，主持国家重点研发、湖南省重点研发、国家自科基金等各类科研项目20余项。

周南，女，1981年9月生，博士，教授，博士生导师，先任职于湖南农业大学化学与材料科学学院化学系。2018年以湖南农业大学为依托单位组建“生物炭湖南省工程研究中心”并担任中心主任，湖南省光学农业工程技术中心副主任。先后主持科技部重点专项、国家自然科学基金青年项目、湖南省杰出青年基金项目、湖南省重点研发计划、湖南省自然科学基金青年项目、湖南省“创新引领”示范建设专项、湖南省教育厅科技计划项目等在内的各类课题20余项；入选长沙市引进紧缺急需和战略型人才计划（“3635”人才计划），2020年入选中共湖南省委组织部 “湖湘青年英才”支持计划、2022年获湖南省杰出青年项目支持。以第一发明人身份获国家发明专利6项、实用新型专利4项，排名第二获湖南省科学技术进步奖二等奖1项。从业期间在国际知名学术刊物如Chemical Engineering Journal、Bioresource Technology、Journal of Power Sources、Carbon等上发表学术论文几十篇，引用次数2017次，H指数24，其中以第一作者发表在Bioresource Technology上的研究论文入选ESI“高被引论文”，3年内被引用146次。周南教授长期从事生物质热解过程分析、生物炭结构及性质优化等方面研究，成果先后应用于环境修复、能源存储和生态调整等领域，并且与相关企业开展产学研合作获多项成果并实现规模化应用。