《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Integrated engineering of microporosity and surface chemistry in biomass-derived carbon for synergistic adsorption–reduction of hexavalent chromium
编辑推荐：
•便捷的一步工程化方法制备出具有丰富还原性基团的微孔碳。•卓越的六价铬（Cr(VI)吸附能力，达到了681 mg·g?1，超过了大多数BDCs。•通过表面上的P–OH、C–OH和-NH–基团实现协同吸附-还原效应。•吸附能力的演变验证了还原性基团的消耗和解毒功能。•坚固的微孔结构
- •
便捷的一步工程化方法制备出具有丰富还原性基团的微孔碳。
- •
卓越的六价铬（Cr(VI)吸附能力，达到了681 mg·g?1，超过了大多数BDCs。
- •
通过表面上的P–OH、C–OH和-NH–基团实现协同吸附-还原效应。
- •
吸附能力的演变验证了还原性基团的消耗和解毒功能。
- •
坚固的微孔结构确保了多次循环后的性能稳定性。
引言
工业活动的日益增多导致重金属离子大量释放到水生生态系统中，对环境完整性和公众健康构成了重大威胁。在这些污染物中，六价铬（Cr(VI)尤为令人担忧，因为它具有高迁移性、强毒性，并被列为已知的人类致癌物[1]、[2]。Cr(VI)修复的主要挑战不仅在于有效隔离它，更重要的是通过解毒措施减轻其长期的环境风险[3]。已经探索了多种技术来去除Cr(VI)，包括化学沉淀、离子交换、膜过滤、吸附和生物处理[4]、[5]、[6]、[7]。虽然由于操作简便和成本效益，吸附方法被广泛认为是有前景的[8]、[9]，但吸附剂的效果从根本上取决于其设计。仅仅隔离Cr(VI)可能会导致二次污染，而一个更优的策略是设计能够同时吸附和还原Cr(VI)为毒性较低且不易迁移的Cr(III)的材料，从而实现有效的初级解毒。这需要开发出结合高吸附容量和丰富特异性表面位点的先进吸附剂，这些表面位点具备氧化还原活性。
源自生物质的碳材料（BDCs）已成为这一目标的可持续平台，因为它们的前体材料丰富且可调控[10]。BDCs的净化性能受到两个关键且常常相互竞争的因素支配：一个良好的多孔结构以确保分子的可进入性，以及一个定制的表面化学性质以决定反应性[11]。最近的进展突显了在平衡这些性质方面的持续努力。例如，Heo等人通过模板法制备了高度微孔化的碳材料，虽然获得了精确的孔径控制，但牺牲了工艺的简单性和可扩展性[12]、[13]。同时，Mao等人成功将氮和磷杂原子引入壳聚糖衍生的碳材料中以增强表面功能[14]。然而，使用现有合成路线同时精确地设计出既定的微孔结构和富集的活性表面化学性质（特别是促进Cr(VI)还原的电子转移表面）仍然是一个重大挑战，因为这些方法往往涉及多步骤操作或昂贵的试剂。
为了解决这一难题，我们提出了一种合理的设计策略，专注于在坚固的微孔基质中工程化电子供体表面化学性质。在此过程中，壳聚糖被用作含有氮的可持续前体，而五氧化二磷（P?O?）则作为同时实现孔创建和磷掺杂的双功能试剂。我们假设这种便捷的一步合成方法将产生一种表面含有丰富基团（如P–OH、C–OH和固有的含氮基团）的碳材料，这些基团预计可以作为Cr(VI)还原为Cr(III)的电子供体。这种材料（标记为P@CS-1-800）的有效性得到了系统评估，显示出高达681 mg·g?1的吸附能力。更重要的是，其吸附性能的演变与这些还原性基团的参与密切相关，为吸附-还原机制提供了宝贵的机制洞察。这项工作不仅提供了一种高性能的吸附剂，还强调了设计功能性碳材料时的一个基本原则：性能的演变有助于阐明机制，为先进的水体修复技术铺平了道路。
章节摘要
实验材料
壳聚糖（CS）来自上海阿拉丁生化技术有限公司。五氧化二磷（P?O?）、重铬酸钾（K?Cr?O?）、盐酸（HCl）和氢氧化钠（NaOH）均购自新华制药试剂有限公司。所有试剂均为分析级，无需进一步纯化即可使用。实验过程中使用了去离子水。
磷和氮功能化微孔碳的制备
使用壳聚糖作为碳源，合成了一系列富含磷的高微孔碳材料
吸附剂表征
图1b–d显示了使用不同剂量P?O?制备的P@CS-X-800样品的SEM图像。所有样品都表现出不规则、类似块的碳形态，并具有致密光滑的表面，这与先前的报告一致[15]。表面上分布着许多凹坑，这些凹坑源于P?O?在活化过程中的蚀刻和孔形成效应[16]。更高倍率的SEM（图S1）显示，表面仍然致密光滑，没有大孔存在。
结论
在这项研究中，我们通过壳聚糖和P?O?的便捷一步热解成功实现了磷和氮功能化微孔碳（P@CS-1-800）的合理设计。该策略利用P?O?作为双功能试剂，同时实现孔创建和杂原子掺杂，从而在良好的微孔结构和富集的活性表面化学性质之间达到最佳协同效应。所得到的P@CS-1-800在...条件下表现出681 mg·g?1的Cr(VI)吸附能力
CRediT作者贡献声明
Mingzhu Wu：撰写——原始草稿、方法学研究、数据分析。Xin Li：方法学研究、数据管理。Qiang Gao：方法学研究、数据管理。Kaisheng Xia：指导、资金获取。Yi Meng：研究。Yunfeng Tian：撰写——审稿与编辑、指导、概念化。Qianxin Liu：方法学研究。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者感谢新疆自治区科学技术重大项目（编号2022A03009）、湖北省重点研究与发展计划（编号2025BAB067）、武汉市科学技术重大项目（编号2023010302020030）、中国地质大学（武汉）的科学研究基金（项目编号2025044）以及中国原子能研究院（编号BJ030261224901）的财政支持。
作者还要感谢Scientific Compass（https:...
Mingzhu Wu|Xin Li|Qianxin Liu|Yi Meng|Yunfeng Tian|Qiang Gao|Kaisheng Xia
