刚柔结合的双网络水凝胶光电电极，用于超快且稳定的双酚A催化降解过程，同时实现金属的最大程度减少（即金属浸出量极低）

光电催化降解双酚A的水凝胶电极CCMPCu通过刚性CNF-MXene与柔性PANI双网络结构实现高效吸附与光生电荷分离，40分钟内降解率达100%，循环稳定性优异且金属泄漏量低于5 ppb。

　　### 中文解读：一种新型双网络水凝胶光电极用于高效去除双酚A

双酚A（BPA）是一种广泛存在于环境中的持久性有机污染物，因其对内分泌系统的干扰效应而受到广泛关注。BPA被广泛用于制造聚碳酸酯塑料和环氧树脂，常见于食品容器、水瓶和金属罐内衬中。由于大规模生产与不当处置，BPA频繁出现在地表水、地下水甚至饮用水中。作为强效的类固醇，BPA可以模拟天然激素，干扰内分泌信号传递，进而引发生殖、神经和发育方面的健康问题。BPA因其弱降解性和强生物富集性，被列为全球最突出的新兴污染物之一，对生态环境构成长期威胁。因此，有效去除水体中的BPA对生态环境保护和公共健康具有重要意义。

近年来，光催化（Photocatalytic, PC）和光电催化（Photoelectrocatalytic, PEC）技术因其对有机污染物的高效去除能力而备受关注。这些技术结合了光化学与电化学，通过半导体光电极表面产生的电子-空穴对驱动氧化还原反应，从而促进有机污染物的矿化。然而，实际应用中存在催化剂失活和金属离子渗出等问题，限制了其可持续性。为此，研究团队提出了一种合理的设计策略，通过构建一种刚性-柔性双网络水凝胶光电极（CCMPCu），实现对BPA的超快速且稳定催化降解，同时最大程度减少金属离子的渗出。

CCMPCu是由Cu?O@ZIF-67嵌入化学交联的壳聚糖（Chitosan, CS）/纤维素纳米纤丝（Cellulose Nanofibril, CNF）-MXene基质中（刚性网络），并在原位聚合的聚苯胺（Polyaniline, PANI）网络中进一步嵌入（柔性网络）。这种结构设计不仅提高了BPA的吸附能力，还增强了光生电荷的分离效率，从而显著提升了PEC性能。实验表明，CCMPCu对BPA的吸附能力高达211.1 ± 6.2 mg/g，约为Cu?O@ZIF-67的四倍。在可见光照射下，CCMPCu能够在40分钟内实现近100%的BPA去除，其伪一级反应速率常数（k = 0.0836 ± 0.0041 min?1）比Cu?O@ZIF-67提升了约九倍。此外，CCMPCu在十次连续循环中仍能保持超过90%的去除效率，且Cu和Co的渗出量极低（<5 ppb和<8 ppb），显示出良好的耐久性和可重复使用性。

为了进一步理解CCMPCu在BPA去除过程中的作用机制，研究团队进行了系统性的分析。实验结果表明，刚性-柔性双网络结构、MXene和Cu?O@ZIF-67的协同作用有助于污染物的预浓缩和光生电荷的有效分离，从而提高PEC性能。此外，CCMPCu在去除结构多样的双酚类化合物方面表现出良好的适用性，这为其在实际废水处理中的应用提供了广阔的前景。

### 材料与方法

本研究采用了一系列先进的材料与合成方法，以构建CCMPCu。首先，通过化学交联方法制备了壳聚糖/纤维素纳米纤丝-MXene基质，作为刚性网络。随后，将Cu?O@ZIF-67均匀分散于该基质中，并通过原位聚合的聚苯胺网络进行进一步强化，形成柔性网络。这种双网络结构不仅提供了机械稳定性，还促进了电荷传输和污染物吸附。

实验中，采用批次吸附实验评估了CCMPCu对BPA的吸附能力，考察了不同pH值、接触时间、温度和初始BPA浓度对吸附性能的影响。结果表明，CCMPCu在酸性条件下（pH 2.0）表现出最佳吸附效果，其吸附容量显著高于其他传统吸附材料。同时，采用响应面法（Response Surface Methodology, RSM）对关键参数进行了优化，以提高吸附效率。

在评估PEC性能时，研究团队使用三电极系统连接至CHI660D电化学工作站，对CCMPCu-3进行了系统测试。实验中，CCMPCu-3作为工作电极，铂片作为对电极，Ag/AgCl电极作为参比电极。光源为300 W氙灯，波长大于400 nm，功率为2.8 mW/cm2。实验中，BPA在黑暗中预吸附40分钟后，开始光照反应，并在40分钟内进行分析。结果显示，CCMPCu-3在可见光照射下对BPA的去除效率达到96.3% ± 2.3%，其伪一级反应速率常数显著高于其他材料，表明其具有高效的催化降解能力。

### 实验结果与讨论

CCMPCu-3的结构和性能通过多种表征技术进行了深入分析。扫描电子显微镜（SEM）图像显示，CCMPCu-3具有高度多孔的三维结构，Cu?O@ZIF-67均匀分布且无明显聚集现象。氮气吸附-脱附等温线（BET法）表明，CCMPCu-3具有较高的比表面积，这有利于污染物的吸附和活性位点的接触。此外，X射线衍射（XRD）分析证实了所有功能成分的成功结合，而傅里叶变换红外光谱（FTIR）进一步揭示了分子间相互作用，如氢键和π-π堆积，这些相互作用增强了BPA的预浓缩能力。

在机理研究方面，研究团队通过光谱分析和密度泛函理论（DFT）计算，揭示了CCMPCu-3在BPA去除中的多路径氧化机制。实验中，采用不同的自由基清除剂（如L-组氨酸、EDTA-2Na、苯醌和异丙醇）进行反应物种淬灭实验，结果显示，主要的氧化途径由单线态氧（1O?）和质子（h?）驱动，同时次级贡献来自超氧自由基（•O??）和羟基自由基（•OH）。这些反应物种的协同作用促进了BPA的深度氧化，最终转化为无害的CO?和H?O。

此外，研究团队还评估了CCMPCu-3在去除其他双酚类化合物（如双酚S、双酚F和双酚AF）方面的性能。结果显示，CCMPCu-3对这些污染物的去除效率均较高，达到91.7%至100%不等，表明其具有广泛的适用性。通过毒性预测模型（如T.E.S.T.和ECOSAR），研究团队进一步确认了BPA及其降解产物的毒性显著降低，从而减少了对生态环境的潜在威胁。

### 结论

本研究成功开发了一种具有优异PEC性能的水凝胶光电极——CCMPCu。该材料不仅表现出极高的BPA吸附能力，还实现了快速且稳定的催化降解，同时有效减少了金属离子的渗出。CCMPCu的结构设计结合了刚性-柔性双网络体系，通过MXene和Cu?O@ZIF-67的协同作用，显著提升了光生电荷的分离效率和反应物种的生成。这种新型材料为持久性有机污染物的可持续去除提供了新的思路，具有广阔的应用前景。研究团队强调，CCMPCu的设计策略不仅适用于BPA的去除，还可推广至其他环境污染物的治理，为未来的绿色水处理技术提供了重要的参考价值。