壳聚糖修饰NiO-g-C3N4协同吸附-光催化降解靛蓝胭脂红染料机制研究

为解决工业染料废水处理中传统方法效率低、二次污染等问题，研究人员通过超声法制备壳聚糖(CS)修饰的NiO-g-C3N4(CSGN10)复合材料，实现靛蓝胭脂红(IC)染料的高效去除。该材料通过Z型光催化机制和多重吸附作用，展现出227 mg/g的超高吸附容量及91.1%的协同去除率，为复杂废水处理提供了新型解决方案。

　　

随着全球淡水资源的日益紧张，工业染料废水处理成为环境领域的重大挑战。靛蓝胭脂红(Indigo Carmine, IC)作为纺织业广泛使用的染料，不仅难以自然降解，还会对水生生态系统造成持久危害。传统处理方法如沉淀、膜过滤等存在效率低、成本高、易产生二次污染等缺陷，而单一的光催化技术又受限于电子-空穴对快速复合等问题。面对这些困境，研究人员将目光投向兼具吸附和光催化功能的复合材料开发，试图通过协同效应突破技术瓶颈。

沙特阿拉伯的研究团队在《International Journal of Biological Macromolecules》发表论文，创新性地将天然高分子壳聚糖(Chitosan, CS)与半导体材料g-C₃N₄/NiO复合，构建出具有Z型异质结结构的CSGN10纳米复合材料。该研究采用超声合成法，通过HRTEM、XPS、PL等技术表征材料特性，系统考察了其对IC染料的吸附-光催化协同去除机制。

关键实验技术
研究采用超声辅助法合成CSGN10复合材料，通过高分辨透射电镜(HRTEM)观察形貌，X射线光电子能谱(XPS)分析元素组成，光致发光光谱(PL)和紫外-可见漫反射光谱(DRS)测定光学性质。吸附实验考察pH、浓度等参数影响，结合电化学阻抗谱(EIS)和荧光寿命衰减分析揭示电荷转移机制，并使用自由基捕获实验验证活性氧物种作用。

材料表征结果
FTIR光谱证实CSGN10成功整合了g-C₃N₄、NiO和CS的特征官能团。HRTEM显示NiO纳米颗粒均匀分散在g-C₃N₄片层上，CS的引入显著增大了比表面积。PL光谱表明CS的电子迁移能力使复合材料电子-空穴对复合率降低76%，DRS显示带隙能量降至2.3 eV，拓展了可见光响应范围。

吸附性能研究
吸附动力学符合准二级动力学模型，等温线数据最优拟合Sips模型，揭示IC在CSGN10表面通过离子吸引、π-π堆积和氢键作用形成多层吸附。CSGN10的最大吸附容量(q_max)达227 mg/g，是纯CS和g-C₃N₄的3倍和10倍。在含表面活性剂(SDS)和电解质(NaCl)的复杂体系中仍保持85%以上去除率，展现出强抗干扰能力。

光催化机制解析
Z型异质结机制使CSGN10在可见光下产生更多超氧自由基(•O₂^-)，其降解IC的速率常数是纯g-C₃N₄的4.2倍。EIS测试显示电荷转移电阻降低68%，证实CS作为电子桥梁促进载流子分离。荧光寿命分析显示平均载流子寿命延长至8.7 ns，为污染物降解提供更长时间窗口。

结论与展望
该研究成功构建了CS修饰的g-C₃N₄/NiO Z型光催化体系，通过吸附-光催化协同作用实现IC染料高效去除。CS的引入不仅提供丰富吸附位点，更通过促进电子转移抑制载流子复合，使材料在复杂废水环境中保持稳定性能。这项工作为开发"吸附-降解"一体化环境修复材料提供了新思路，对推动工业废水处理技术发展具有重要意义。未来研究可进一步优化材料再生性能，探索其在其他难降解污染物治理中的应用潜力。