生物炭及掺杂GO（石墨烯氧化物）的生物炭粉末在光催化、吸附及潜在指纹检测中的应用

《Journal of Water Process Engineering》：Biochar and GO doped biochar powder for photocatalysis, adsorption, and latent fingermark detection

水污染治理研究中，利用蛋壳制备的Biochar及GO/Biochar复合材料通过吸附和光催化降解去除铬离子及甲基蓝、刚果红染料，并实现潜指纹增强。实验证实GO/Biochar在可见光下光催化效率达88%和74%，且具备循环使用性，其机理涉及表面活性位点及自由基反应，同时发现Biochar对3级潜指纹的显著增强效果。

　　水污染是发展中国家面临的重要问题，主要源于城市化和人类活动的快速扩张。这些污染不仅对人类健康造成威胁，还对生态环境和气候变化产生负面影响。为应对这一挑战，本研究开发了蛋壳生物炭和GO/生物炭粉末，这些材料在吸附、光催化和指纹显现方面展现出良好的潜力。通过多种表征手段，如紫外-可见光谱（UV–Visible）、X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、粒子尺寸分析（PSA）和Zeta电位测试，对所制备的材料进行了全面分析。XRD结果显示，生物炭具有六方结构，晶粒尺寸为6.54纳米；而GO/生物炭则呈现出三方结构，晶粒尺寸为10.5纳米。这两种材料的带隙分别为5.8电子伏特和5.6电子伏特，表明其在光催化降解污染物方面具有优异的性能。在MB（亚甲基蓝）和CR（刚果红）的降解实验中，生物炭表现出88%的降解效率，而_GO/生物炭则达到74%。这些数据表明，生物炭在吸附铬离子方面也具有显著的效果，其吸附过程遵循二级动力学模型。此外，GO/生物炭在光催化过程中表现出一定的可重复使用性，经过4次循环后仍能有效降解MB和CR染料。为了进一步了解光催化过程中涉及的活性物质，进行了EDTA、苯醌、二甲基亚砜和异丙醇等淬灭剂的实验。这些实验有助于揭示光催化反应的机理，从而为优化材料性能提供依据。在指纹显现方面，生物炭粉末表现出良好的效率，能够提升指纹显现的细节水平，达到第三层级。这些发现不仅为废水处理提供了可持续的解决方案，还为环境修复和法医学应用开辟了新的途径。

随着城市化进程的加快，工业活动的增加，有毒废水持续排放到水体中，导致全球每年的废水产量增加约3590亿加仑。这些废水含有多种污染物，包括有机和无机污染物、油类、有毒化学品、洗涤剂、染料和重金属。这些污染物对人类健康、生态环境以及气候变化都具有负面影响。为了有效处理这些污染物，近年来，纳米复合材料因其高比表面积和优异的电学及光学性能，被广泛应用于多个领域，如药物输送、成像、半导体制造、催化、水处理和空气净化。其中，基于还原氧化石墨烯（rGO）的材料在去除有机、无机和重金属污染物方面展现出良好的前景，包括染料（如亚甲基蓝、甲基橙、刚果红等）的去除，以及指纹显现。美国环境保护署（USEPA）将铬、铜、锌、镉、钴、铅和镍列为高度有毒的重金属。这些重金属主要来源于自然过程和人类活动，如铬、砷、铅、铜和汞等，它们可能引发水污染并危害水体。光催化作为一种潜在的“绿色”技术，被广泛应用于环境可持续性领域，通过氧化还原反应生成高活性物质，参与光催化过程，降解有机化合物和重金属等污染物。当具有足够能量的光子与半导体光催化剂相互作用时，会激发电子从价带跃迁到导带，同时在价带中产生空穴（h?）。这些电子-空穴对移动到催化剂表面，参与氧化还原反应，生成超氧（O?•?）和羟基（OH•）等自由基，这些自由基与目标物质发生反应，将其降解为稳定的矿物化合物。已有研究报道，基于石墨烯的纳米复合材料在可见光照射下能够有效降解刚果红染料，降解效率可达88%。此外，AP/GCN/BMO作为三元光催化剂，在可见光照射下能够实现94%的亚甲基蓝染料去除效率。光催化降解有机染料如刚果红和亚甲基蓝的过程，已被多种方法研究。然而，近年来，一种新的可持续方法逐渐受到重视，即利用蛋壳衍生的生物炭作为强吸附剂，以应对水污染问题。生物炭是一种多孔碳质材料，具有高碳含量，也被称为黑碳，广泛应用于石油废水处理。它作为一种高效的吸附剂，能够通过物理吸附（如π-π相互作用或范德华力）去除有机和无机污染物。目前，石墨烯复合材料、膜过滤和生物炭被认为是去除水污染物最有效的方法之一，相较于传统方法，因其在生物炭表面具有大量活性位点，能够有效吸附重金属如As(V)。吸附过程中的络合和物理吸附机制依赖于生物炭的性质、组成和孔隙结构，以及诸如pH值、时间、杂质浓度等参数。蛋壳中含有约94%的碳酸钙（CaCO?），其中钙元素对铅的去除具有重要作用。不同的吸附参数如pH值、染料浓度和吸附剂浓度有助于去除重金属污染物（如铬、镉和钯）。石墨烯氧化物（GO）是一种纳米多孔材料，具有二维结构，其比表面积可达200–1000平方米/克，具有优异的水过滤、吸附和光催化降解染料性能。大规模石墨烯合成通常包括氧化、剥离和还原步骤。在该过程中，石墨被强酸（如硝酸和硫酸）及氧化剂（如氯酸盐、高锰酸盐）转化为GO，随后进行还原。基于氧的官能团能够改善石墨烯层间的间隙、水溶性和亲水性。GO的基底和边缘具有羟基、环氧基和羧基等官能团。这些官能团和巨大的比表面积使GO成为一种高效的吸附剂。

GO与生物炭的复合材料在文献中显示出增强的多孔性、更大的比表面积，从而提高了材料的吸附能力、光催化降解污染物的效率，并在抗菌、抗真菌活性以及能量存储方面具有显著潜力。然而，目前仍存在一些研究空白，特别是在利用吸附和光催化方法去除重金属和有机污染物方面。本研究采用改进的Hummer方法合成GO，并通过共沉淀法将其掺杂到蛋壳衍生的生物炭中，以增强其物理化学性能，从而有效降解亚甲基蓝染料和去除铬污染物。由于生物炭具有较大的比表面积和吸附能力，它能够与有机化合物和汗液残留（如氨基酸、脂肪酸等）发生强烈相互作用，因此本研究还进行了法医学方面的测试。本研究的创新之处在于展示了生物炭和GO掺杂生物炭在铬吸附、亚甲基蓝和刚果红染料的光催化降解方面的显著能力，并探讨了其在指纹检测中的应用，尤其是在犯罪调查中的应用，因为这一方面在文献中报道较少。这些发现不仅为废水处理提供了可持续的替代方案，还为环境修复和法医学应用开辟了新的方向。

在材料和方法部分，本研究使用了从GC大学拉合尔分校咖啡店获取的蛋壳废料，以及从Sigma Aldrich购买的多种化学品，包括石墨粉、硫酸、高锰酸钾、盐酸、铬氧化物、过氧化氢、乙二胺四乙酸（EDTA）、异丙醇、二甲基亚砜、苯醌、去离子水和硝酸钠。这些材料和试剂为后续的实验提供了必要的条件。蛋壳生物炭的制备过程包括对洗净的蛋壳进行日晒干燥，随后在900°C的高温下进行热处理。这一过程能够有效去除蛋壳中的有机成分，形成具有多孔结构的生物炭材料。通过这一方法制备的生物炭具有良好的物理化学性能，能够作为吸附剂和光催化剂。在FTIR分析中，图3(A(a)和(b))展示了生物炭和GO/生物炭的红外光谱，用于评估其功能基团。生物炭的FTIR谱图显示出一个非常尖锐的伸缩带，位于3641厘米?1处，这归因于羟基（OH）的存在。这一信号可能源于碳酸钙分子的不对称伸缩和面内弯曲振动模式。在热处理和煅烧过程中，蛋壳中的碳酸钙会发生分解，形成多孔结构的生物炭材料。通过这一过程，生物炭的表面特性得到了优化，使其在吸附和光催化过程中具有更高的效率。

在吸附研究中，研究发现，由于人类活动（如工业操作、采矿和重金属离子的使用）导致的重金属污染，如镉、铬和铅，对生态环境具有重要影响。这些重金属离子在工业排放、肥料使用和径流中积累，抑制植物生长，并对生态系统造成严重影响，因为它们不易被生物降解。受污染的食品和水源可能引入这些重金属，进而危害人体健康。本研究利用生物炭的高比表面积和吸附能力，通过物理吸附机制去除这些重金属。同时，GO/生物炭的引入进一步增强了生物炭的吸附性能，使其在去除重金属和有机污染物方面更加高效。此外，GO/生物炭在光催化降解染料方面也表现出良好的效果，能够有效降解亚甲基蓝和刚果红等染料。通过实验发现，GO/生物炭在可见光照射下能够实现较高的降解效率，这可能与其更小的带隙有关，从而提高了光吸收能力和表面反应活性。这些结果表明，GO/生物炭在去除污染物方面具有比原始生物炭更高的性能。

在结论部分，本研究成功制备了蛋壳废料和GO的生物炭材料，通过一系列表征手段（如SEM、XRD、FTIR、PSA、Zeta电位和UV–Visible光谱）验证了其独特的表面形态、结晶度、粒径、表面电荷和光学性能。GO的引入略微降低了生物炭的带隙，从而提高了其光吸收能力和表面反应活性。GO/生物炭表现出增强的吸附能力和光催化降解效率，能够有效去除重金属和有机污染物。此外，GO/生物炭在可见光照射下能够实现较高的降解效率，这可能与其更小的带隙有关，从而提高了光吸收能力和表面反应活性。这些结果表明，GO/生物炭在去除污染物方面具有比原始生物炭更高的性能。同时，生物炭在指纹显现方面也表现出良好的效果，能够提升指纹显现的细节水平，达到第三层级。这些发现不仅为废水处理提供了可持续的解决方案，还为环境修复和法医学应用开辟了新的途径。

本研究的创新点在于利用蛋壳衍生的生物炭和GO/生物炭材料，探索其在去除重金属和有机污染物方面的潜力。通过改进的Hummer方法合成GO，并将其掺杂到生物炭中，从而增强其物理化学性能。实验结果表明，这种复合材料在吸附和光催化过程中表现出更高的效率。此外，生物炭在指纹显现方面的应用也得到了验证，表明其在法医学中的潜力。这些发现不仅为废水处理提供了新的方法，还为环境修复和法医学领域提供了新的研究方向。通过本研究，我们希望能够为解决水污染问题提供有效的解决方案，并推动生物炭和GO复合材料在环境和法医学领域的应用。