从废弃物中一步简便合成ZnO@粉煤灰，用于吸附-光催化降解亚甲蓝

《Cleaner Water》：A One-Step Facile Synthesis of ZnO@Fly Ash from Refuse-Derived Waste for Adsorption-Photocatalytic Degradation of Methylene Blue

本研究利用微波辅助合成法制备了ZnO与飞灰复合催化剂ZnO@FA，优化了飞灰用量、pH值、催化剂投加量及反应时间等参数，在pH 7、5 g/L催化剂投加量、20 ppm甲基蓝初始浓度及4小时反应条件下，实现了96.05%的甲基蓝降解效率。复合催化剂展现出良好的循环稳定性，经5次再生后降解效率仍达83.48%。表征分析表明，复合材料的带隙能降低至2.94 eV，且表面多孔结构（比表面积3.384 m2/g）促进了吸附-光催化协同效应。自由基捕获实验证实超氧自由基（O??•）和羟基自由基（·OH）是主要降解途径，HPLC-MS检测显示MB分子结构被完全矿化为CO?和H?O。该研究为工业固废资源化提供了新思路。

　　随着城市化和工业化的加速推进，水污染问题日益严重，对生态环境和人类健康构成了巨大威胁。特别是纺织行业排放的有害合成染料，因其难以降解且具有毒性和致癌性，成为当前水污染治理中的关键挑战。为应对这一问题，本研究提出了一种创新的解决方案，即利用热电厂产生的粉煤灰（Fly Ash, FA）与氧化锌纳米颗粒（ZnO NPs）结合，通过微波辅助的简便一步法合成ZnO@FA复合材料。该复合材料不仅能够有效吸附染料，还能通过光催化作用实现对甲基蓝（Methylene Blue, MB）等有害物质的降解，为工业废弃物的资源化利用和水处理技术的发展提供了新的思路。

粉煤灰是一种在热电厂燃烧煤炭后产生的固体废弃物，通常含有大量的二氧化硅、氧化铝、氧化铁等成分，同时具备较高的比表面积和孔隙率，使其在吸附污染物方面具有显著优势。然而，由于其缺乏光催化活性，单独使用粉煤灰在处理染料污染时效果有限。本研究通过引入氧化锌纳米颗粒，利用其优异的光催化性能，构建了一种新型的复合材料。这种材料不仅能够利用粉煤灰的吸附能力，还能通过光催化作用进一步分解染料分子，从而实现更高的去除效率。氧化锌纳米颗粒在光照射下能够激发电子跃迁，产生自由基，这些自由基能够与水中的氧气和水分子反应，生成具有强氧化性的活性氧物种（Reactive Oxygen Species, ROS），如超氧自由基（O?•?）和羟基自由基（•OH），进而对染料进行高效降解。

为了确保ZnO@FA复合材料的性能最大化，研究团队对合成参数进行了系统优化，特别是在粉煤灰的添加量上进行了细致调整。通过实验发现，当粉煤灰添加量为1.5克时，MB的降解效率达到最高，为78.12%。随着粉煤灰添加量的增加，MB的降解效率反而下降，这可能是因为过量的粉煤灰导致光照射穿透性下降，同时增加了颗粒之间的聚集现象，从而影响了光催化反应的效率。因此，选择合适的粉煤灰添加量是实现复合材料最佳性能的关键。

在光催化反应过程中，pH值对MB的降解效率也有显著影响。实验结果显示，在pH为7的条件下，MB的降解效率最高，达到了68.28%。这一现象可能与ZnO纳米颗粒在中性条件下的电荷特性有关，使其能够更有效地吸附MB染料。而在酸性或碱性条件下，ZnO纳米颗粒的结构可能会发生变化，如溶解为Zn2?离子或形成氢氧化锌，从而降低其光催化活性。因此，选择适宜的pH值对于实现高效的MB降解至关重要。

此外，研究还探讨了复合材料的剂量对MB降解效率的影响。实验表明，当复合材料的剂量为5克/升时，MB的降解效率达到80.07%，而进一步增加剂量并未带来显著的效率提升，这可能是由于过多的催化剂导致自由电子-空穴对的快速复合，从而降低了光催化反应的效率。因此，确定最佳的复合材料剂量对于实际应用具有重要意义。

在光催化反应的持续时间方面，实验发现MB的降解效率随反应时间的延长而逐渐提高，并在4小时内达到最高值96.05%。这表明，随着反应时间的增加，光催化反应能够更充分地进行，从而实现更高的降解效果。然而，超过一定时间后，降解效率趋于稳定，说明反应达到了平衡状态。

为了评估ZnO@FA复合材料的可持续性和可重复使用性，研究团队还进行了再生实验。结果表明，即使经过五次再生循环，该复合材料仍然能够保持较高的降解效率，达到83.48%。这说明该材料具有良好的结构稳定性和重复使用能力，符合环保和经济可持续发展的要求。

通过先进的表征技术，如紫外-可见光谱（UV-Vis）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM-EDS）、动态光散射（DLS）、比表面积和孔隙度分析（BET）以及电子自旋共振（ESR）分析，研究团队对ZnO@FA复合材料的物理化学性质进行了深入研究。这些分析结果显示，ZnO@FA复合材料在光催化反应中表现出良好的光响应和电子迁移能力，能够有效促进自由基的生成和反应。

进一步的分子分析表明，MB在ZnO@FA复合材料的作用下，经过吸附和光催化反应后，会生成一系列中间产物，最终被分解为无害的产物，如二氧化碳和水。这一过程不仅证明了复合材料对MB的高效降解能力，也揭示了其在实际应用中的环境友好性。

综上所述，本研究成功开发了一种基于粉煤灰和氧化锌纳米颗粒的复合材料，该材料在吸附和光催化方面表现出优异的性能。通过优化合成参数和反应条件，研究团队实现了对MB的高效降解，同时确保了材料的可持续性和可重复使用性。这一成果为工业废弃物的资源化利用和水污染治理提供了新的方向，具有重要的实际应用价值和环境意义。