聚苯胺@氢氧化钴纳米复合材料高效催化降解刚果红染料的研究

针对工业废水中有毒偶氮染料污染问题，南非比勒陀利亚大学研究团队开发了聚苯胺纳米管负载氢氧化钴纳米颗粒(PANI@Co(OH)2 NCs)催化剂。该材料在NaBH4存在下30分钟内实现99.9%刚果红(CR)降解，且可循环使用5次。LC-MS分析揭示了其通过还原裂解偶氮键的降解机制，为染料废水处理提供了高效解决方案。

　　

随着纺织、印染等工业的快速发展，含有偶氮染料的工业废水已成为威胁水生态环境和人类健康的"隐形杀手"。其中刚果红(CR)作为典型偶氮染料，不仅具有强致癌性，其艳丽的红色还会阻碍水体光合作用。传统处理方法如氧化降解能耗高，而单纯使用金属纳米催化剂又面临易团聚、难回收的困境。

南非比勒陀利亚大学(University of Pretoria)的Madhumita Bhaumik博士团队在《Inorganic Chemistry Communications》发表研究，创新性地将氢氧化钴(Co(OH)₂)纳米颗粒负载于聚苯胺(PANI)纳米管上，构建出具有超高催化活性的PANI@Co(OH)₂纳米复合材料。该研究采用FE-SEM、XRD等技术表征材料形貌，通过LC-MS解析降解路径，系统考察了催化剂用量、pH值等参数对CR降解效率的影响。

【材料与方法】
研究以2-萘磺酸掺杂的PANI纳米管为载体，在70℃下通过还原沉积法制备复合材料。选用NaBH₄作为还原剂，通过紫外-可见光谱监测CR降解过程，建立伪一级动力学模型。使用LC-MS鉴定降解中间产物。

【形态与结构表征】
FE-SEM显示PANI纳米管直径152-258nm，负载的Co(OH)₂纳米颗粒平均粒径49.5nm。XRD证实了β-Co(OH)₂晶相的成功形成，FTIR谱图中1040cm^-1处新出现的Co-O键振动峰验证了复合材料的化学键合。

【催化性能】
在0.2g/L催化剂和0.5mM NaBH₄条件下，30分钟内即可完全降解100mg/L CR溶液。降解效率随催化剂剂量增加而提升，但在pH>7时显著下降。动力学分析显示反应符合伪一级模型，速率常数达0.2309min^-1。

【降解机制】
LC-MS检测到萘磺酸离子等中间体，证实降解主要通过还原裂解CR分子中的偶氮键(-N=N-)实现。这种断裂使染料发色基团破坏，从而实现高效脱色。

【循环稳定性】
经过5次循环使用后，催化剂仍保持99.9%的降解效率，TEM显示循环后Co(OH)₂纳米颗粒仍均匀分散，未出现明显团聚。

该研究突破性地解决了传统催化剂易失活、难回收的瓶颈问题。PANI@Co(OH)₂复合材料将过渡金属的高催化活性与导电聚合物的结构稳定性完美结合，其制备方法简单、成本低廉，为工业染料废水处理提供了极具应用前景的解决方案。特别值得注意的是，该催化剂在弱酸性条件下表现最佳，这与多数工业废水的pH范围高度匹配，显示出良好的实际应用潜力。研究揭示的偶氮键还原裂解机制也为其他染料污染物的治理提供了新思路。