壳聚糖-金属卟啉复合物催化降解亚甲基蓝的性能研究及其环境应用

本研究针对染料废水处理难题，开发了基于壳聚糖(CTS)负载钴(II)四(4-甲氧基苯基)卟啉(Co(II)TMPP)的绿色催化剂Co(II)TMPP@CTS。通过FT-IR、XRD、SEM等技术表征证实其结构特性，在碳酸氢盐介质中实现94.7%的亚甲基蓝(MB)降解效率，揭示羟基自由基(·OH)主导的降解机制，为染料废水处理提供高效可重复使用的催化解决方案。

　　

随着纺织、印染和食品工业的快速发展，染料废水污染已成为严峻的环境挑战。其中亚甲基蓝(MB)作为典型阳离子合成染料，不仅难以被传统处理方法降解，还会抑制水生生态系统光合作用。面对这一难题，开发高效环保的催化降解技术迫在眉睫。壳聚糖(CTS)这一源自甲壳类动物外壳的生物聚合物，因其优异的生物相容性和金属螯合能力，被视为理想的催化剂载体材料。与此同时，金属卟啉化合物凭借其独特的电子转移特性，在催化领域展现出巨大潜力。

为探索绿色高效的染料降解方案，Imam Mohammad Ibn Saud伊斯兰大学的研究团队创新性地将钴(II)四(4-甲氧基苯基)卟啉(Co(II)TMPP)与壳聚糖结合，构建了Co(II)TMPP@CTS复合催化剂。研究发现该催化剂在碳酸氢盐介质中对MB的降解率高达94.7%，且具有良好的循环稳定性，相关成果发表在《International Journal of Biological Macromolecules》上。

研究采用傅里叶变换红外光谱(FT-IR)分析分子结构，X射线衍射(XRD)测定结晶度变化，扫描电子显微镜(SEM)观察形貌特征，结合能量色散X射线光谱(EDX)验证元素组成。通过动力学实验和自由基捕获实验，系统考察了催化剂用量、过氧化氢浓度、温度等参数对降解效率的影响。

【材料表征】FT-IR证实Co(II)TMPP与CTS间存在金属-氮配位作用；XRD显示复合后材料结晶度降低；SEM观察到独特的伸长晶体结构；EDX数据验证了钴元素成功负载。

【催化性能】在最优条件下（催化剂0.5 g/L，H₂
O₂
8 mM，NaHCO₃
0.1 M），31分钟内实现94.7%的MB降解，符合一级反应动力学。碳酸氢盐通过生成过氧碳酸盐(peroxocarbonate)显著提升氧化效率。

【机制研究】自由基捕获实验证实羟基自由基(·OH)是主要活性物种，催化剂中钴离子的氧化还原循环促进了H₂
O₂
的活化。

【稳定性测试】经过5次循环使用后，催化剂仍保持80%以上的初始活性，SEM显示其结构稳定性良好。

该研究证实Co(II)TMPP@CTS复合物通过协同效应实现了高效催化：金属卟啉提供活性中心，壳聚糖基质增强分散性和稳定性，碳酸氢盐介质促进强氧化物种生成。相较于传统均相催化剂，该异相体系不仅解决了金属卟啉易团聚失活的问题，还具备环境友好、易回收等优势。Wafaa S. Abo El-Yazeed等研究者特别指出，这种将生物聚合物与金属配合物结合的策略，为设计新型绿色催化剂提供了重要范式，在工业废水处理领域具有广阔应用前景。研究同时揭示了碳酸氢盐在增强氧化过程中的关键作用，这对理解复杂环境中的催化机制具有重要理论价值。