农业塑料废弃物转化光催化生物炭：面向高级废水处理的可持续解决方案

针对废水污染和固体废弃物堆积的双重挑战，研究人员通过稻壳与聚苯乙烯共热解制备铜掺杂氧化锌(CuZnO)修饰的生物炭复合材料(CuZnO@RHPB0.2)，实现20分钟内完全降解亚甲基蓝(MB)，其性能超越传统光催化剂10倍以上。该材料兼具高比表面积(490.4 m2/g)和可见光响应特性，为废弃物资源化与污水治理提供创新方案。

　　

随着工业发展，染料和抗生素污染已成为全球水环境治理的顽疾。亚甲基蓝(MB)、甲基紫(MV)和环丙沙星(CF)等污染物因结构稳定难以降解，传统处理方法如吸附法易饱和、膜技术能耗高、生物法效率低下。更棘手的是，农业废弃物稻壳(RH)和塑料垃圾聚苯乙烯(PS)的堆积问题日益严重。面对这些挑战，深圳大学化学与环境工程学院水科学与环境工程研究中心的Muhammad Ahmad和Maryam Yousaf团队在《Journal of Environmental Chemical Engineering》发表研究，开创性地将两类废弃物转化为高性能光催化材料。

研究人员采用共热解技术将RH与PS以1:250比例复合，通过150-750°C梯度热解制备多孔生物炭基底，再负载铜掺杂氧化锌(CuZnO)纳米颗粒。关键技术包括：EPR(电子顺磁共振)检测自由基物种、PL(光致发光)光谱分析载流子寿命、BET法测定比表面积，并建立包含植物毒性实验的生态安全评估体系。

材料设计与创新性
CuZnO@RHPB_0.2的独创性体现在三方面：RH提供丰富的含氧官能团(-OH, -COOH)增强污染物吸附；PS热解产生的挥发物形成分级孔隙结构(490.4 m²/g)；Cu掺杂在ZnO中形成-0.17 eV缺陷能级，使可见光响应范围扩展至475 nm。这种"废物升级"策略比石墨烯等载体成本降低80%。

光催化性能
在可见光下，该材料20分钟完全降解MB，40分钟去除98.2% MV，60分钟降解96.4% CF，速率较传统TiO₂提升10倍。阻抗分析显示其电荷转移电阻降低67%，光电流密度提高4.8倍，归因于C-O-Cu/Zn界面键促进电子传导。EPR证实·OH和·O₂^-是主要活性物种，Cu²⁺/Cu⁺氧化还原对通过类芬顿反应持续产生活性氧。

环境适用性
植物实验显示处理后的废水种子发芽率达100%，8次循环后催化剂活性保持88%。Arrhenius动力学分析揭示其活化能仅为常规材料的1/3，适用于低温环境。PS衍生的石墨化碳网络使电子迁移率提高2个数量级，解决了纳米颗粒易流失的二次污染难题。

这项研究开创了"以废治污"的新范式：通过精准调控生物炭-半导体界面化学，将环境负担转化为治污利器。其意义不仅在于创纪录的降解效率，更构建了从废弃物收集、材料合成到工程应用的完整技术链条，为发展中国家低成本水处理提供了样板。正如作者指出，这种"生态催化"设计理念可延伸至重金属修复、VOCs治理等领域，实现污染治理与碳减排的双赢。