生物启发型氧化石墨烯海绵增强水体中传统与新兴污染物的吸附性能研究

针对水体中有机染料和药物污染物难以高效去除的问题，多伦多都会大学团队开发了L-色氨酸（GOTR）和L-苯丙氨酸（GOPA）修饰的还原氧化石墨烯（rGO）海绵。通过SEM、FTIR和XPS等表征证实其结构优化，该材料对双氯芬酸（DCF）的最大吸附容量达1003 mg/g，较未改性rGO提升2倍，为绿色水处理技术提供新方案。

　　

水污染治理领域长期面临传统染料（如亚甲基蓝MB）与新兴药物污染物（如双氯芬酸DCF）的去除难题。这些物质具有环境持久性和生物毒性，常规吸附材料存在选择性差、结构不稳定等问题。多伦多都会大学（Toronto Metropolitan University）的研究团队受生物分子启发，创新性地利用氨基酸修饰氧化石墨烯（GO）海绵，构建出兼具高吸附容量和环境友好特性的新型材料。

研究采用水热合成法将L-色氨酸（TR）和L-苯丙氨酸（PA）共价接枝到GO骨架上，通过扫描电镜（SEM）观察到改性后海绵孔隙尺寸从32.18 μm缩小至5-7 μm，比表面积达1285 m²/g。X射线光电子能谱（XPS）检测到氮元素含量提升至3.58%，证实氨基酸成功引入。傅里叶变换红外光谱（FTIR）在1400 cm^-1处出现C-N特征峰，揭示了氨基与GO的化学键合作用。

关键研究发现：

1. 形态与结构表征：SEM显示GOPA_2.5%和GOTR_20%形成三维互联多孔网络，平均孔径较纯rGO（PGO）缩小80%，有利于污染物捕获。
2. 表面化学分析：XPS证实TR的吲哚基团增强π-π堆叠作用，使GOTR_20%对疏水性DCF的吸附容量突破1003 mg/g，较传统活性炭提升7倍。
3. 吸附机制：Langmuir模型拟合度（R²>0.97）表明单层吸附占主导，氨基通过静电吸引捕获RhB（556 mg/g），芳香环通过疏水作用吸附AC（556 mg/g）。

这项研究的意义在于：
• 创新性地将生物分子（氨基酸）与纳米材料（GO）结合，突破传统吸附材料的性能瓶颈
• 提出的"结构-功能"协同设计策略，为多污染物同步去除提供新思路
• 材料合成全程采用绿色化学工艺，避免重金属催化剂的使用

论文发表在《Journal of Water Process Engineering》，其技术路线具有明确的工程化潜力。研究团队通过系统优化氨基酸负载量（TR 15-20%，PA 1.5-2.5%），在保持材料稳定性的同时最大化吸附位点密度。相较于文献报道的磁性共价有机框架（420.2 mg/g）和污泥生物炭（219.3 mg/g），该生物改性海绵对DCF的吸附容量实现数量级提升，且循环使用测试显示良好再生性能。这项工作为发展下一代智能水处理材料奠定了实验基础，特别适合处理含复杂成分的工业废水。