水溶液中石墨烯纳米材料促进有机污染物转化与降解行为研究

It is found that graphene-based nanomaterials (GBNs) not only can adsorb contaminants from water, but also have the potential to mediate the transformation and degradation of some adsorbed organic contaminants. However, to date, little information is available regarding the possible mediated role of GBNs on the transformation and degradation of organic contamiants in the environment. In this study, we examine the transformation and degradation of several kinds of organic contaminants with different chemical structures in the presence of GBNs in aqueous solution. The relationship between the chemical structures of organic contaminants and the degradation reaction is studied. The roles of GBNs and environmental factors (such as solution pH, dissolved oxygen and dissolved organic matter etc.) in the degradation reaction of organic contaminants are also discussed. Finally, the degradation mechanisms of organic contamiants mediated by GBNs are investigated using mass spectrometry, Fourier transform infrared spectroscopy, and electron spin resonance ect. Through this study, we want to reveal the possibility that GBNs mediate the transformation and degradation of some organic contaminants in the environment. Relevant knowledge of this study will help the application of GBNs in environmental pollution cleanup, and help to improve the risk assessment of the fate of organic contaminants in the environment.

石墨烯纳米材料除了能够吸附水中的污染物外，还会对所吸附的一些有机污染物产生转化与降解作用。但是迄今为止，人们对自然环境条件下石墨烯纳米材料促进有机污染物转化与降解的行为知之甚少。本项目拟选择几类不同结构与性质的有机污染物作为研究对象，研究石墨烯纳米材料存在条件下它们在溶液中的转化与降解行为。探讨石墨烯纳米材料和各种自然环境因素（如pH、溶解氧和可溶性有机质等）在污染物降解反应中的作用。总结出石墨烯纳米材料促进有机污染物降解的规律。并利用多种谱学手段如质谱、红外光谱和电子自旋共振光谱等探讨产生这种现象的微观机理。通过本项目的研究希望能够为石墨烯纳米材料在环境中的应用及污染物的环境行为评价提供实验依据。

由于其大的比表面积及强的可修饰能力，石墨烯纳米材料已被广泛地用作优质的吸附剂来去除环境中的污染物。但是很少有人意识到，石墨烯纳米材料本身也具有一定的催化能力，可以在吸附过程中导致污染物发生转化，进而对分析结果产生意想不到的影响。为了回答这个问题，本项目分别从石墨烯的缺陷结构、酚类污染物的性质及环境因素三个方面对石墨烯促进污染物转化的原因进行了探讨。首先我们发现石墨烯的结构缺陷是产生这种现象的主要活性位点。这些位点具有较高的电子密度，可以导致被吸附的溶解氧产生活性氧，活性氧与酚类污染物反应进而导致了它们的氧化偶联。其次发现酚类污染物的氧化是从其酚羟基氧氢键的断裂开始的，酚羟基的解离能可以作为指示酚类污染物氧化难易的指示因子。活性氧夺取酚羟基上的氢原子生成酚类自由基。自由基的不成对电子可以通过共振进一步分布到苯环的不同位置。这些自由基相互偶联生成不同的产物，反应产物被鉴定是酚类污染物的低聚物和羟基化产物。另外，环境因素（如过渡金属离子，pH和溶解氧等）对污染物的转化具有很大的影响。我们发现石墨烯可以明显提高Cu(Ⅱ)的氧化还原能力，进而使共存的2-萘酚转化为高分子量的低聚物和羟基化产物。溶液pH值在酚类污染物pKa附近时，酚类污染物的氧化速率最高。我们的研究揭示了石墨烯纳米材料促进共存污染物发生转化的现象，并在一定程度上解释了产生这种现象的原因。所得结果推动了人们对现有问题的认识。