基于磁性纳米纤维素/MOF复合材料构建模拟酶系统及可视化检测苯酚的研究

Due to the complexity of industrial wastewater components (usually including both organic and heavy metal ions), sensitive and selective detection and treatment of phenol from pollutants have become a challenge. The use of large testing equipment is always costly and complicated to operate. Besides, the traditional enzymatic visual detection exist the problem such as the poor stability and high application costs. Therefore, exploitation of nano-materials as the mimic enzymes instead of expensive natural enzymes to construct the colorimetric sensor will provide a new and efficient way for visual detection of phenol. In this project, we aims to prepare the novel mimic enzyme catalysts based on nano-cellulose through simple and mild experimental processes, and the prepared catalysts will be used for rapid and accurate visual detection of phenol in wastewater. The magnetic nano-cellulose/MOF mimic enzyme will be prepared by utilizing biomimetic adhesion property of natural polyphenols. By specific design of the structure and components, the resulted nano-composite combines both the advantages of organic and inorganic parts. The mimic enzyme sensor will be characterized by easy magnetic separation, good mechanical properties and high sensitivity. This kind of organic/inorganic composite materials mimic enzyme based on nano-cellulose will provide new ways for the construction of visual detection system of pollutants in industrial wastewater.

工业废水中苯酚的即时检测及处理由于废水成分的复杂性（通常同时包括有机污染物及重金属离子）及污染物浓度低的特点使苯酚灵敏、专一检测成为难题。使用大型检测设备操作复杂、成本较高；而传统酶法可视化检测存在使用天然酶稳定性差、应用成本高等问题。利用纳米材料模拟酶代替昂贵的生物酶构建比色传感器，为苯酚的可视化检测提供了高效节能的新途径。本项目旨在通过简单、温和的实验过程制备基于纳米纤维素的高性能模拟酶催化剂，用于废水中苯酚的快速可视化检测。利用天然多酚的仿生粘附特性制备磁性纳米纤维素基-金属有机框架复合模拟酶，通过对复合材料结构和组分的特定设计使其兼具有机/无机组分的优势性能，以期获得易磁分离、机械性能好、专一、灵敏度高的模拟酶传感器。这种基于纳米纤维素有机/无机复合材料模拟酶的设计及制备方法将为工业废水中污染物可视化检测系统的构建提供新思路和新途径。

工业废水中苯酚的即时检测及处理由于废水成分的复杂性及污染物浓度低的特点使苯酚灵敏、专一检测成为难题。本项制备多种纳米纤维素基-金属有机框架（MOF）模拟酶，通过对材料结构和组分的特定设计，建立了易磁分离、机械性能好、专一、灵敏度高的模拟酶传感器，实现废水中苯酚的快速可视化检测，并取得了一些具有创造性的成果。.（1）磁性石墨烯/ MOF的制备及可视化检测苯酚研究：利用溶剂热法制备出磁性 Fe3O4/还原氧化石墨烯复合材料（Fe3O4/rGO），以单宁酸（TA）为交联剂，将MOF（ZIF-8）自组装在Fe3O4/rGO/TA上，制备出磁性石墨烯/MOF复合材料（Fe3O4/rGO/MOF）。研究了不同前驱体、不同原料配比对所得复合材料形貌和尺寸的影响。所得Fe3O4/rGO/MOF具有优异的模拟酶性质，可对苯酚进行灵敏的可视化检测，检测的线性范围在 10-80 μM，检出限为 3.33×10-6 M。.（2）磁性纳米纤维素/MOF的制备及可视化检测苯酚研究：采用一步溶剂热法制备磁性Fe3O4/纳米纤维素（Fe3O4/CNC）复合材料，并将MOF（ZIF-8）包覆在 Fe3O4/CNC上，得到磁性纳米纤维素/MOF（Fe3O4/CNC@ZIF-8）复合材料。通过多种表征手段对复合材料的结构和形貌进行了分析。此外，Fe3O4/CNC@ZIF-8复合材料对苯酚有着优异的可视化检测性能，在20分钟内溶液由无色呈现较为明显的红色的颜色变化，检测的线性范围在2-200 μM，检出限为 3.16 ×10-7 M。.（3）MOF/纤维素衍生物复合膜的制备及可视化检测、降解苯酚研究：以溶解再生后的纤维素膜为载体，采用原位生长法将Co-MOF-74负载在膜上，然后采用水热法使Co-MOF-74在纤维素膜上重结晶，以获得高度分散且结晶性能良好的Co-MOF-74/纤维素复合材料，最后通过煅烧得到Co3O4/纤维素衍生物复合膜。利用该复合膜模拟酶的性质，建立苯酚可视化检测体系，其检测的线性范围在0.5-300 μM，检出限为1.02×10-6 M。此外，复合膜可以作为催化剂活化过氧单硫酸盐（PMS）用于高级氧化技术处理废水中的苯酚，20分钟内降解率达到93.13%。.本项目为MOF基有机/无机复合材料模拟酶的设计及制备方法提供新思路，对工业废水中污染物快速、灵敏检测及高效去除具有重要参考意义。