铁掺杂碳/共价有机框架电纺纳米纤维的限域效应及其对染料污染物的选择性吸附与光催化降解研究

为解决工业染料废水处理中传统材料选择性差、降解效率低的问题，研究人员通过静电纺丝和碳化工艺制备了Fe掺杂碳/共价有机框架(COFs)纳米纤维膜(C/Fe@CTFs)。该材料通过CTFs的限域效应实现对孔雀石绿(MG)的选择性吸附(吸附量154.8 mg·g?1)，并在模拟太阳光下实现93.6%的光催化降解率。研究结合DFT计算揭示了吸附机制，为水处理提供了高效多功能材料。

　　

随着工业化和城市化的快速发展，染料废水污染已成为全球性环境难题。孔雀石绿(MG)等有机染料具有高生物毒性和环境持久性，传统处理方法面临选择性差、二次污染等问题。碳纳米纤维(CNFs)虽具有优异机械性能，但其低选择性和降解效率限制了应用。共价有机框架(COFs)因其可设计的孔道结构和限域效应，在吸附和催化领域展现出巨大潜力。

为解决这一挑战，研究人员通过静电纺丝聚丙烯腈/海藻酸钠/MIL-88A前驱体，经碳化制备Fe掺杂碳纳米纤维，再原位生长共价三嗪框架(CTFs)，成功构建了C/Fe@CTFs纳米纤维膜。该研究发表在《Environmental Chemistry and Ecotoxicology》，系统探究了材料对MG的选择性吸附机制和光催化性能。

研究采用静电纺丝结合高温碳化制备Fe掺杂碳纤维基底，通过溶剂热法原位合成CTFs涂层。利用SEM、XPS、BET等技术表征材料形貌和孔结构，通过吸附动力学和等温模型分析MG吸附行为，结合DFT计算阐明分子间相互作用。光催化实验采用500 W·m^?2氙灯模拟太阳光，通过EPR检测活性氧物种(ROS)，并利用HPLC-MS解析降解路径。

【材料表征】SEM显示CTFs纳米颗粒均匀覆盖在碳纤维表面，XPS证实Fe以Fe₃O₄形式存在。BET测试显示材料具有93.91 m²·g^?1比表面积和4 nm介孔结构，FT-IR证实了C=N等特征基团的存在。

【选择性吸附】C/Fe@CTFs对MG的吸附量(44.3 mg·g^?1)显著高于其他染料，分配系数K_d达2.9414。伪一级动力学模型(R²=0.9941)和Langmuir模型(q_m=154.8 mg·g^?1)表明其为单层化学吸附。DFT计算显示CTFs与MG的结合能(-0.25298 eV)低于NR(0.12737 eV)，HOMO-LUMO能隙差异证实了选择性机制。

【光催化性能】在H₂O₂存在下，材料对MG的降解率达93.6%，速率常数k为0.6985 min^?1。EPR检测到¹O₂、·O₂^?和·OH等活性物种，XPS显示Fe(II)/Fe(III)循环参与催化。LC-MS推测降解路径包括N-去甲基化、苯环开裂等步骤，最终矿化为CO₂和小分子。

【实际应用】在沙河和白河水样中，材料对MG的降解率分别达84.1%和87.4%，5次循环后仍保持82.4%效率，Fe溶出量可忽略不计。

该研究创新性地将COFs的限域效应与碳纤维载体结合，解决了传统材料选择性差的瓶颈问题。通过多尺度表征和理论计算，阐明了材料结构与性能的构效关系。C/Fe@CTFs兼具选择性吸附和高效光催化能力，为复杂水体中特定污染物的靶向去除提供了新思路，在工业废水处理领域具有重要应用价值。研究提出的"吸附-限域-催化"协同机制，也为其他环境功能材料的设计提供了理论参考。