羧基化氧化石墨烯/海藻酸钠-活性炭气凝胶球高效吸附阳离子染料的协同设计与机理研究

针对阳离子染料废水造成的生态环境危害，研究人员开发了羧基化氧化石墨烯/海藻酸钠-活性炭气凝胶球（CGO-AC/SA），通过DFT指导的羧基化修饰和分级孔隙设计，实现对甲基紫（MV）、亚甲蓝（MB）和碱性品红（BF）的超高吸附容量（分别达650.695、546.471和385.634 mg/g），其静电作用和π-π协同机制为可持续废水处理提供了新策略。

　　

随着印染工业的快速发展，含有持久性芳香染料的废水已成为威胁生态系统稳定的重要因素。这类污染物不仅抑制水生光合作用，还会在土壤中累积阻碍植物生长，更可能通过光降解或氯化作用产生致癌副产物。传统处理方法如生物降解和高级氧化工艺存在效率低、成本高或二次污染等问题，而吸附技术因其经济环保特性成为研究热点。然而，常规吸附材料如原始氧化石墨烯（GO）存在功能基团分布不均（羧基仅占边缘）、分离困难等缺陷，亟需开发兼具高吸附容量和结构稳定性的新型复合材料。

为突破这一技术瓶颈，来自广东的研究团队在《Desalination》发表研究，通过羧基化修饰氧化石墨烯（CGO）并与海藻酸钠（SA）、活性炭（AC）复合，构建了具有分级孔隙的球形气凝胶（CGO-AC/SA）。该材料对三种典型阳离子染料——甲基紫（MV）、亚甲蓝（MB）和碱性品红（BF）展现出创纪录的吸附性能，并通过多尺度表征揭示了其作用机制。研究采用密度泛函理论（DFT）计算指导材料设计，结合扫描电镜（SEM）、氮气吸附等技术分析材料结构，通过动力学和等温线模型阐明吸附机理，最终验证了材料的再生潜力。

材料与方法
研究通过氯乙酸处理GO实现边缘羧基化（CGO），采用Ca²⁺交联SA与AC构建三维网络。关键实验包括：pH值优化实验（2-10范围）、吸附动力学（伪二级模型拟合）、Sips等温线分析，以及DFT计算染料分子的能隙（ΔE_GAP）和偶极矩（μ）。

结果与讨论
Effect of dose and initial concentration
当CGO-AC/SA投加量从0.5 g/L增至2.0 g/L时，MV去除率从68.80%跃升至90.13%，证实材料的高效性。DFT计算显示MV的低能隙（2.686 eV）和高偶极矩（2.004 D）促进其与CGO的π-π堆叠和静电结合。

Conclusion
研究证实羧基化使材料表面电荷密度提升，24.67 nm的平均孔径和5.583 m²/g的比表面积共同实现16 h内吸附平衡。五次再生循环后仍保持78%效率，但Ca²⁺-H⁺交换导致的稳定性下降仍需改进。

这项研究的意义在于：首次将DFT计算与实验验证相结合，阐明染料选择性吸附的电子结构基础；开发的CGO-AC/SA气凝胶通过"羧基-孔隙"双功能设计，为工业废水处理提供了可规模化应用的解决方案。其创新性体现在：① 突破GO羧基位点限制的化学修饰策略；② 建立染料分子特性与吸附性能的量化关系；③ 实现材料机械强度与吸附动学的协同优化。未来研究可进一步探索材料在复杂废水体系中的抗干扰能力，以及大规模生产的经济性评估。