银纳米颗粒修饰剥离石墨复合催化剂在类芬顿氧化降解亚甲基蓝染料中的动力学与热力学研究

本研究针对工业废水中有害染料污染问题，开发了一种新型Ag@EG复合催化剂，通过原位修饰银纳米颗粒(AgNPs)于剥离石墨(EG)表面，实现了对亚甲基蓝(MB)染料的高效降解(99.8%)。研究系统考察了H2O2剂量、pH值和温度等参数影响，揭示了伪一级动力学模型和热力学机制，为废水处理提供了经济高效的解决方案。

　　

随着工业快速发展，染料废水污染已成为严峻的环境挑战。亚甲基蓝(MB)作为一种广泛应用于纺织和生物染色领域的有害染料，其持久性、高毒性和难降解特性对生态系统构成严重威胁。传统物理和生物处理方法往往难以有效去除这类顽固污染物，而高级氧化工艺(AOPs)因其能产生强氧化性羟基自由基(HO^•)，可将有机污染物彻底矿化为CO₂和H₂O，展现出独特优势。

针对这一难题，研究人员开发了一种创新性的Ag@EG复合催化剂。该研究团队采用二元组分系统((NH₄)₂S₂O₈/H₂SO₄)在室温下制备剥离石墨(EG)，随后通过原位化学还原法将银纳米颗粒(AgNPs)修饰于EG表面，形成两种不同比例(0.5:1和1:1)的复合催化剂。研究证实，这种材料在类芬顿氧化体系中展现出卓越的催化性能，相关成果发表在《BMC Chemistry》上。

研究采用了多项关键技术：通过SEM/TEM表征材料形貌，XRD分析晶体结构，拉曼光谱评估结构缺陷，FTIR检测表面官能团，UV-Vis测定表面等离子体共振(SPR)，以及BET测量比表面积。催化性能测试在批次反应体系中进行，考察了pH值、H₂O₂浓度、染料浓度和温度等参数影响。

在"微观分析"部分，SEM图像显示原始石墨呈紧密堆叠片状结构(平均直径2.8±1μm)，经剥离后转变为无序结构(1±0.6μm)。TEM证实AgNPs(约38nm)均匀分散在EG表面，EDX显示Ag含量随比例增加从15%升至35%。

"结构光谱分析"部分显示，XRD证实复合材料保持了石墨的六方晶系结构，新增的衍射峰(2θ=37.9°,44.2°)对应AgNPs的面心立方结构。拉曼光谱中D/G峰强度比(I_D/I_G)从EG的0.22增至Ag@EG(1:1)的0.95，表明AgNPs插入导致结构缺陷增加。

"MB催化降解"研究发现，pH=2时降解效果最佳，Ag@EG(1:1)在120分钟内实现96%去除率。H₂O₂浓度存在最优值(50mM)，过高会导致HO^•被淬灭。温度升高显著促进反应，318K时降解率高达99.8%。

动力学研究表明反应符合伪一级模型，速率常数随温度升高而增大(0.025-0.074 min^-1)。热力学参数显示活化能E_a为42.4 kJ/mol，ΔH为39.4 kJ/mol，证实反应为吸热过程。ΔS负值(-143 J/mol·K)表明反应过程中系统有序度增加。

这项研究的重要意义在于开发了一种高效、稳定的Ag@EG复合催化剂，其高比表面积(87 m²/g)和均匀分散的AgNPs协同作用，实现了对MB染料的高效降解。相比其他催化剂(如Fe₃O₄纳米颗粒、CuO/CeO₂等)，该材料在温和条件下表现出更优性能。研究不仅提供了详细的动力学和热力学机制，也为工业废水处理提供了新的材料设计思路，具有重要的环境应用价值。