生物炭负载Cu/ZnO纳米复合材料的绿色合成及其可见光催化降解染料性能研究

本研究针对工业废水中有机染料难降解问题，创新性地采用槟榔壳生物炭为载体、茜草根提取物为还原剂，成功制备了Cu/ZnO功能化生物炭纳米复合材料。通过SEM/EDX/XRD/UV-VIS表征证实材料具有2.73 eV窄带隙，在可见光下对Alizarin Red（AZ）和Rhodamine B（RhB）的降解率分别达97.52%和96.83%，并通过RSM-CCD模型优化工艺参数。该研究为农业废弃物资源化利用和可持续污水处理提供了新策略。

　　

随着全球工业发展，合成染料废水对生态系统和人类健康构成严重威胁。传统处理方法如吸附仅能转移污染物，而常规ZnO光催化剂因3.2 eV宽带隙仅响应紫外光（占太阳光谱5%）。如何开发高效、低成本且能利用可见光（占太阳光谱45%）的催化材料成为环境治理领域的关键挑战。

针对这一难题，来自中国的研究团队创新性地将农业废弃物资源化与绿色化学相结合，以槟榔（Areca catechu L.）壳生物炭为载体，茜草（Rubia cordifolia）根提取物为生物还原剂，开发出具有窄带隙特性的Cu/ZnO功能化生物炭纳米复合材料。该研究通过多尺度表征和响应面优化，系统验证了材料在真实工业废水处理中的实用性，相关成果发表在《Environmental Technology》上。

研究采用水热法合成Cu/ZnO纳米颗粒，通过原位沉淀将纳米颗粒负载于500℃热解制备的槟榔壳生物炭上。采用SEM-EDX观察形貌和元素分布，XRD分析晶体结构，UV-VIS测定光学带隙，并通过RSM-CCD设计30W卤钨灯照射下的降解实验。工业废水样本取自当地纺织企业，COD、BOD等指标参照CPCB标准检测。

【材料表征】SEM显示生物炭具有六边形蜂窝状多孔结构，Cu/ZnO纳米花均匀覆盖其表面（图1a-d）。EDX证实材料含Zn（47.44 wt%）、Cu（5.91 wt%）且分布均匀（图1g），XRD显示Cu掺杂未改变ZnO纤锌矿结构（图2a）。UV-VIS显示复合材料带隙降至2.73 eV，较纯ZnO（3.2 eV）显著红移（图2b），FTIR检测到Zn-O（480 cm^-1）和生物炭芳香骨架（1580 cm^-1）特征峰（图2c）。

【降解性能】在RSM优化条件下（催化剂28-29 mg/100 mL，反应83-85 min，染料15-16 mg/L），对AZ和RhB的降解率分别达97.52%和96.83%（表5）。动力学分析显示准一级速率常数k>0.025 min^-1（图7），IPA淬灭实验证实·OH自由基贡献超60%降解效率（图5）。材料经4次循环后效率仍保持80%以上（图6），工业废水处理中实现71%脱色及COD（1170→290 mg/L）、BOD（203→84 mg/L）显著降低（表8）。

【机制讨论】该研究突破性地实现了三个协同效应：（1）Cu掺杂在ZnO禁带中引入中间能级，使光响应范围拓展至可见光区；（2）生物炭的吸附作用浓缩污染物于催化剂表面，提升局部反应浓度；（3）Zn-O-C键形成降低电子-空穴复合率。EEO分析（411-443 kWh/m³）表明其能耗低于传统UV工艺（表7）。

这项研究首次将槟榔壳生物炭与药用植物合成的Cu/ZnO结合，不仅为农业废弃物高值化利用提供新思路，更开发出符合SDG6（清洁水源）目标的可持续水处理技术。未来可通过表面修饰进一步提升材料循环稳定性，并拓展至抗生素、农药等新兴污染物治理领域。