掺铁氧化物的碳纤维具有协同的光芬顿催化蒸发特性，适用于复杂水质的处理

《Journal of Water Process Engineering》：Iron oxide doped carbon fibers with synergistic photo-Fenton catalytic-evaporation properties for complex water treatment

本研究开发出FeO_y@CNFMs材料，通过气动力学纺丝和低温碳化制备，兼具高效光热蒸发、光催化降解污染物及抗菌性能。模拟海水中蒸发速率达1.7 kg/m2·h（持续40天），降解10 mg/L甲基蓝96%，杀菌效率超99%。

　　

王文鑫|牛一凡|陈阳|王宁|马丁·詹森|李贤锋

分离膜与膜过程国家重点实验室，天津市先进储能材料与器件重点实验室，天宫大学材料科学与工程学院，天津300387，中国

摘要

为应对淡水短缺和污染的双重挑战，我们通过空气动力学纺丝和低温碳化技术制备了嵌入铁元素的碳纳米纤维垫（FeO_y@CNFMs）。在低温碳化过程中，Fe³⁺离子嵌入碳骨架中，催化碳纤维的石墨化，从而促进缺陷修复和微晶融合。通过空气动力学纺丝形成的三维结构与微晶融合结合，形成了连续的石墨网络，使FeO_y@CNFMs具备了优异的净水能力、宽带光吸收性能和高效光热转换能力。在1kWm^?2的太阳辐照下，该膜的蒸发速率为1.89 kg m^?2 h^?1，太阳能到蒸汽的转化效率达到97.3%。FeO_y@CNFMs在模拟海水中表现出极强的耐久性，在40天内可维持1.6–1.7 kg m^?2 h^?1的蒸发速率，并通过抗盐自清洁机制通过了10次循环测试。此外，加入过氧化氢（50 ul H₂O₂）后，该膜将界面太阳能蒸发与光芬顿催化机制协同作用，碳纤维的高导电性减少了电子-空穴复合，生成大量活性氧（ROS），有效降解有机污染物并杀灭细菌。具体而言，90分钟内可降解10 mg/L的亚甲蓝（Methylene Blue），对大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）的抗菌效率超过99%。

引言

人口增长、工业化和气候变化加剧了水资源短缺和污染问题[[1], [2], [3], [4], [5]]。传统的水处理技术在能源效率、材料可持续性和多功能集成方面存在局限性，尤其是在处理盐离子、有机染料和病原微生物等复杂污染物时[[6], [7], [8], [9], [10]]。为解决这些问题，具有多种净化机制的先进材料在环境条件下成为可持续水修复研究的前沿方向[[11], [12], [13]]。

在这方面，研究人员尝试将光热转换器与高级氧化过程（AOPs）结合，通过光照生成高氧化性的活性物种（如羟基自由基（·OH））。这些自由基能够将大部分惰性的有机大分子降解为低毒性或无毒的小分子，甚至完全降解为CO₂和H₂O [14,15]。例如，冯等人[16]证明，涂有低结晶度Fe₂O₃@羧基化多壁碳纳米管（CMWCNTs）的陶瓷膜在连续流过滤条件下实现了92%的苯酚降解效率。同样，潘等人[17]设计了一种混合光催化膜（g-CN/GO/MCE），采用真空过滤辅助组装方法，由一层石墨碳氮化物（g-CN）纳米片、一层氧化石墨烯（GO）纳米片和一层混合纤维素酯（MCE）组成。该膜对罗丹明B（RhB）的去除效率高达95.4%。尽管这些研究展示了优异的有机污染物降解催化能力，但其单一功能限制了其在复杂水环境中的应用。

为了解决这一问题，张等人[18]在纺织品上涂覆还原氧化石墨烯（rGO）和Ag₃PO₄，实现了界面蒸发、光催化降解和抗菌功能的同步作用。我们之前的工作[19]也介绍了一种涂有锐钛矿TiO₂纳米颗粒（TiO₂/SiO₂@CNMs）的纳米纤维垫，在处理复杂水系统时表现出优异性能。然而，这些材料存在制备工艺复杂、材料成本高以及性能不佳的问题，这归因于rGO-Ag₃PO₄涂层的界面稳定性差以及TiO₂/SiO₂@CNMs碳纳米纤维基质中的大量结构缺陷。

在这项研究中，我们提出了一种新的制备策略，通过简化了两步工艺（预氧化和低温碳化）来制备嵌入铁氧化物的碳纳米纤维垫（FeO_y@CNFMs），无需后续涂层步骤。所得FeO_y@CNFMs利用光芬顿催化机制生成大量·OH自由基，并利用其固有的三维多层结构实现协同吸附，显著提高了光催化效率并赋予了出色的抗菌效果。此外，该材料优异的净水能力和宽带光吸收性能使其在界面蒸发和抗盐性方面表现优异。这些多功能特性使FeO_y@CNFMs成为复杂水修复问题的创新解决方案。

部分内容摘要

FeO_y/CNFMs的制备

选择FeCl₃作为金属氧化物杂化的前驱体。将预定量的（1–5 wt%）FeCl₃·6H₂O和7 g的PAN溶解在50 mL DMF中，在磁力搅拌下反应12小时以确保完全溶解。然后通过空气动力学纺丝（图1）得到掺杂FeCl₃的混合纳米纤维垫（记为FeCl₃/NFMs）。制备好的FeCl₃/NFMs在马弗炉中以270°C的升温速率进行预氧化

纤维的特性与分析

图2展示了FeCl₃改性的聚丙烯腈（PAN）基纳米纤维垫在预氧化和低温碳化后的微观结构演变。扫描电子显微镜（SEM）分析显示，通过溶液吹塑法制备的原始纳米纤维垫具有典型的非织造结构[19]，纤维呈现出三维卷曲形态和无序的堆叠结构

结论

通过空气动力学纺丝、预氧化和低温碳化制备了一种具有多功能特性的三维铁-氧物种杂化纳米纤维垫（FeO_y@CNFMs），包括光热转换、抗盐/抗污染性能、光催化降解和抗菌活性。综合性能表征表明，FeO_y@CNFMs具有超亲水性，在整个太阳光谱范围内具有宽带光吸收能力（>91%

CRediT作者贡献声明

王文鑫：数据分析、概念化设计。牛一凡：数据管理。陈阳：数据管理。王宁：撰写、审稿与编辑。马丁·詹森：撰写、审稿与编辑、数据管理。李贤锋：数据分析。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。