苯硼酸功能化的零价铁基碳纤维膜，在水处理中对不可降解的染料污染物具有高亲和力和光催化性能

《Separation and Purification Technology》：Phenylboronic acid functionalized zero valent iron-based carbon fibrous membrane for high affinity and photo-catalysis on non-degradable dye pollutants in water treatment

零价铁基碳纤维复合材料ZVI/CFs@PBA实现刚果红高效选择吸附与光催化降解，吸附过程符合伪二阶动力学和Langmuir模型，光催化降解率92.44%，机理涉及h?、1O?和•OH活性物种，电子能带计算显示优化电子传输，模块化膜分离系统验证实际应用，并展现99.38%的抗菌效果。

　　近年来，随着工业活动的增加，水体中难以降解的染料污染物问题日益严重，对人类健康和生态环境构成了长期且显著的威胁。传统的染料处理技术虽然在一定程度上被应用，但仍然存在效率低下、使用寿命短以及可能产生二次污染等缺陷。为了解决这些问题，研究人员开发了一种新型的苯硼酸（PBA）功能化零价铁（ZVI）基碳纤维材料，命名为ZVI/CFs@PBA，专门用于对刚果红（CR）的高效吸附和光催化降解。这种材料在实际应用中表现出优异的性能，不仅能够有效去除CR，还具备显著的抗菌能力，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑制率达到99.38%和98.99%。

刚果红是一种常见的偶氮染料，广泛应用于纺织、造纸和食品工业等领域。由于其分子结构稳定，难以被自然降解，因此在水体中长期积累，对水生生态系统和人类健康产生潜在危害。刚果红不仅会导致水体颜色变化和透明度下降，影响水生植物的光合作用，还可能对水生生物造成毒害，降低溶解氧含量，进而引发水生动物的缺氧问题。此外，长期接触染料污染的水体可能增加人体内重金属的积累，对肝脏、肾脏和神经系统造成损害，并增加患癌风险。因此，开发高效的水处理技术，特别是针对染料污染物的处理方法，显得尤为迫切。

零价铁（ZVI）作为一种具有金属结构的导电材料，因其独特的电子和磁性特性，以及高表面积活性，被广泛应用于能源材料、生物医学和环境治理等领域。ZVI的高导电性源于其金属结构和丰富的自由电子，这些自由电子可以有效缩小其能带间隙，使其具有优异的光响应性能。同时，ZVI可以通过Fe(II)/Fe(III)的氧化还原循环产生活性氧物种（ROS），从而实现对污染物的高效去除。近年来，许多研究者在ZVI的应用方面取得了显著进展，例如，Guo等人利用3D打印技术制备了分级多孔的ZVI材料，用于激活过硫酸盐以降解有机污染物；Jiang团队开发了一种碳微球负载的硫化ZVI材料，用于高效去除六价铬和对硝基苯酚等复合污染物；Zhou团队则利用超声辅助的零价铁激活过硫酸钠，用于降解阿莫西林，并研究了不同条件对降解效果的影响；Xu等人合成了一种椰壳基活性炭修饰的纳米级ZVI材料，用于去除大分子有机污染物。

然而，尽管ZVI在污染治理中表现出良好的性能，其实际应用仍面临一些挑战。首先，ZVI由于其高表面积和磁性，容易发生团聚，影响其在水体中的分散性和催化效率。其次，ZVI在催化过程中容易形成铁氧化物，这会覆盖其表面，降低与底物分子的反应活性，从而缩短其使用寿命。此外，ZVI的催化作用往往缺乏选择性，难以区分不同的污染物。因此，有必要开发新型的ZVI基复合材料，以克服上述问题，实现对染料污染物的高效去除。

碳纤维（CFs）作为一种典型的二维碳材料，具有高比表面积、多孔结构和良好的导电性。这些特性使其成为一种理想的电子传输通道，有助于电子与空穴的快速分离。同时，其高比表面积还能有效积累光生成的电子，增强与目标分子的相互作用。因此，将CFs与ZVI结合，不仅可以有效解决ZVI容易团聚和使用寿命短的问题，还能提升其催化效率。此外，CFs表面丰富的锚定位点使其成为一种理想的基底材料，可以分散ZVI纳米颗粒，避免催化剂的团聚。这种材料的高效电子传输性能也有助于提高光生成电子的迁移效率，从而延长其使用寿命。

在本研究中，研究人员开发了一种PBA功能化的ZVI基碳纤维材料，即ZVI/CFs@PBA，以实现对刚果红的高效吸附和光催化降解。通过将ZVI合成于金属有机框架（MOF）作为前驱体的有氧环境中，与传统的无氧条件相比，这种合成方法能够有效避免ZVI的氧化问题。此外，ZVI/CFs@PBA表面的PBA基团能够与刚果红形成配位键，从而实现对刚果红的高选择性吸附。通过不同动力学模型和吸附等温模型对吸附过程进行研究，发现ZVI/CFs@PBA的吸附行为与伪二级动力学模型和Langmuir吸附等温模型高度吻合，表明其吸附过程为化学吸附和单层吸附机制。

在光催化降解实验中，ZVI/CFs@PBA表现出高效的光催化氧化能力，能够将刚果红的降解率提升至92.44%。研究还揭示了光催化降解过程中产生的活性物质，如电子（e?）、空穴（h?）和羟基自由基（•OH），这些物质在降解过程中发挥了关键作用。通过电子能量带的计算，研究人员进一步阐明了电子和空穴在异质结中的转移机制，为理解ZVI/CFs@PBA的催化性能提供了理论依据。

此外，为了评估ZVI/CFs@PBA在实际水处理中的应用效果，研究人员组装了一种模块化过滤膜单元，并在实际染料降解实验中测试了该材料的性能。实验结果表明，ZVI/CFs@PBA在实际水处理中表现出优异的染料去除能力，能够有效应对复杂水体中的染料污染问题。同时，该材料还具有显著的抗菌效果，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑制率达到99.38%和98.99%。这表明ZVI/CFs@PBA不仅能够高效去除染料污染物，还能在水处理过程中起到一定的生物安全防护作用。

为了进一步验证ZVI/CFs@PBA的性能，研究人员对其制备和表征过程进行了详细研究。通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）对材料的形态和结构进行了观察。实验结果显示，ZVI/CFs@PBA的表面具有丰富的PBA基团，这些基团能够有效与刚果红分子结合，形成稳定的配位复合物。此外，ZVI在碳纤维表面的分布较为均匀，避免了团聚现象的发生，提高了其催化效率。通过透射电子显微镜进一步观察发现，ZVI/CFs@PBA的异质结结构能够有效促进电子和空穴的分离，从而减少电子-空穴复合的可能性，提高光催化反应的效率。

在本研究中，研究人员还对ZVI/CFs@PBA的催化机制进行了深入探讨。实验表明，ZVI/CFs@PBA在光催化降解过程中能够生成多种活性物质，如羟基自由基（•OH）、超氧自由基（O??•）和过氧化氢（H?O?），这些活性物质在降解过程中起到了关键作用。通过不同实验条件的调控，研究人员进一步验证了ZVI/CFs@PBA在不同pH值、温度和光照强度下的催化性能，发现其在多种条件下均表现出良好的稳定性。此外，ZVI/CFs@PBA的催化效率在不同实验条件下均保持较高水平，表明其具有广泛的应用前景。

在实际应用方面，ZVI/CFs@PBA的模块化设计使其能够灵活应用于不同的水处理场景。研究人员通过模块化过滤膜单元对ZVI/CFs@PBA的性能进行了评估，发现其在模拟水体和实际水体中均表现出优异的染料去除能力。这表明ZVI/CFs@PBA不仅能够高效去除刚果红，还能在实际水处理中应对多种染料污染物。此外，ZVI/CFs@PBA的抗菌效果也为水处理提供了额外的保障，能够有效抑制水体中的有害微生物，提高水体的生物安全性。

综上所述，本研究开发的ZVI/CFs@PBA材料在染料污染物的去除方面表现出优异的性能。该材料不仅能够实现对刚果红的高效吸附和光催化降解，还能在实际水处理中展现出良好的稳定性和适应性。此外，其显著的抗菌效果也为水处理提供了额外的保障。这些特性使得ZVI/CFs@PBA成为一种具有广泛应用前景的新型水处理材料。未来，研究人员将继续优化该材料的性能，探索其在其他污染物去除中的应用潜力，为水污染治理提供更加高效的解决方案。