纳米零价铁铜修饰番石榴叶活性炭的多功能应用：六价铬去除、种子萌发分析与超级电容器性能研究

研究人员针对水体中剧毒Cr(VI)污染问题，创新性地利用番石榴叶提取物绿色合成纳米零价铁铜(Cu-Fe)，并负载于番石榴叶活性炭(GLAC)表面制备Cu-Fe/GLAC复合材料。该材料在pH 3条件下对Cr(VI)去除率达97%，吸附容量达231.13 mg/g，同时可将Cr(VI)还原为低毒Cr(III)。吸附后材料用于超级电容器展现出112 F/g比电容及85%循环稳定性，实现了"污染治理-资源再生"的闭环应用。

　　

随着工业废水排放加剧，水体中重金属污染已成为全球性环境问题。其中六价铬(Cr(VI))因其强毒性、致癌性和高迁移性备受关注，世界卫生组织(WHO)规定饮用水中铬含量不得超过0.5 mg/L。传统处理技术如离子交换和膜过滤存在成本高、易产生二次污染等缺陷，而吸附法虽具优势却面临吸附剂化学稳定性不足的瓶颈。与此同时，废弃生物质处置与新能源材料开发也是当前环境与能源领域的重要议题。

针对这些挑战，印度GIET大学(Gandhi Institute of Engineering and Technology University)与国家理工学院Rourkela分校(National Institute of Technology, Rourkela)的研究团队创新性地将环境治理与资源循环利用相结合。研究人员以番石榴叶为原料，既利用其提取物绿色合成纳米零价铁铜(Cu-Fe)双金属，又将废弃叶片转化为活性炭(GLAC)，通过回流法制备出Cu-Fe/GLAC复合材料。这项跨学科研究成果发表在《Inorganic Chemistry Communications》，实现了从Cr(VI)去除到能量存储的全链条应用。

研究采用多尺度表征技术：傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析官能团，场发射扫描电镜(FESEM)和透射电镜(TEM)观察形貌，比表面积分析(BET)测定孔隙结构，拉曼光谱(Raman)和X射线衍射(XRD)鉴定晶体结构，X射线光电子能谱(XPS)验证元素价态。通过批量吸附实验优化参数，结合动力学和等温线模型探讨机理，最后将铬负载材料应用于超级电容器性能测试。

材料表征结果
FESEM显示GLAC具有典型多孔结构(102 m²/g比表面积)，TEM证实10-20 nm的Cu-Fe颗粒均匀分散在GLAC表面。XPS证实材料中同时存在Fe⁰/Fe²⁺/Fe³⁺和Cu⁰/Cu⁺/Cu²⁺的混合价态，这种多价态协同增强了电子传递能力。

Cr(VI)去除性能
在pH 3、400 mg吸附剂用量条件下，120分钟内对15 mg/L Cr(VI)去除率达97%。吸附过程符合伪二级动力学模型，Langmuir模型拟合得到的最大吸附容量达231.13 mg/g，显著高于单独使用nZVI(64.52 mg/g)。共存离子影响实验显示PO₄^3?竞争性最强，0.5 M NaOH可实现材料再生。

作用机制分析
通过XPS和溶液离子色谱证实Cr(VI)先被还原为Cr(III)，随后通过孔隙填充、静电吸引和共沉淀作用被固定。Cu的引入不仅抑制了nZVI氧化，还通过Fe-Cu原电池效应加速电子转移。

资源化应用
处理后的水质满足WHO标准，用于绿豆种子萌发实验显示正常生长。铬负载材料在1 A/g电流密度下展现112 F/g比电容，3000次循环后保持85%容量，优于多数报道的金属氧化物电极。

这项研究开创性地将农业废弃物转化为多功能材料，解决了三个关键问题：(1)绿色合成避免了传统化学还原法的毒性；(2)Cu-Fe/GLAC兼具吸附与还原能力，突破单一材料局限；(3)实现"污染治理-能源存储"的闭环应用。该工作为重金属污染治理与资源化提供了新范式，其跨学科思路对推动环境-能源协同发展具有重要启示意义。特别值得注意的是，研究团队通过精确控制Cu-Fe比例与负载量，在保证Cr(VI)去除效率的同时，巧妙利用吸附后材料中Cr的变价特性提升了电极材料的氧化还原活性，这种"以废治废-变废为宝"的策略值得在环境工程领域推广。