梭形接枝藻酸盐纳米复合水凝胶作为可重复使用催化剂的研究：一项响应面法（RSM）研究

《Inorganic Chemistry Communications》：Fusiform shaped alginate grafted nanocomposite hydrogels as reusable catalysts: A RSM study

　　

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  通过沉淀聚合方法制备了长梭形 alginate-poly(methyl methacrylate-methacrylic acid)（AL-PM）水凝胶颗粒。
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  FESEM分析确认了梭形AL-PM水凝胶颗粒的成功制备。
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  在AL-PM水凝胶中制备了不同粒径的AuNPs，以设计纳米复合水凝胶。
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  研究了Au-AL-PM-1、Au-AL-PM-2和Au-AL-PM-3纳米复合水凝胶（具有不同AuNPs含量）对罗丹明B染料的催化潜力。
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  采用响应面法（RSM）研究了多因素对催化剂活性的同时影响。

引言

快速的工业化和城市化导致有毒染料、硝基芳族化合物、各种农药和杀虫剂等造成严重的环境污染[1]，[2]，[3]。这些化合物被认为是对生命构成威胁的有害污染物[4]。纺织、皮革、橡胶、化妆品、印刷和鞣制等许多行业在其制造过程中利用有机染料作为着色剂[5]。其中很大一部分染料作为工业废水被排放到水体中，对水环境和人体健康造成有害影响，进而影响环境可持续性。可持续发展目标（SDGs）已提出迫切需要解决有毒废物（如染料和硝基芳族化合物）造成的水污染问题[6]。因此，具有不可生物降解性质且在水中寿命较长的染料迫切需要从水体中消除，以避免其对生命造成的有害影响。

各种方法，如絮凝、凝聚、膜过滤和吸附，已被设计用于消除水中的这些污染物[7]，[8]。然而，由于污染物在不同介质之间的转移、二次污染物的形成、污染以及高能耗，这些方法被发现效果不佳，限制了其在实际应用中的推广[9]。然而，在过去十年中，将这些污染物催化转化为环境友好性产品一直是主要的科学努力方向。不同类型的金属纳米颗粒（mNPs）在将污染物转化为低毒性产物[10]或将有毒有机化合物完全矿化为二氧化碳和水[11]中发挥着关键作用。这些mNPs具有尺寸小、表面积大和活性位点充分暴露等特点，使反应物能够吸附并转化为产物。然而，由于高表面能，mNPs倾向于凝聚并转化为块状物质以稳定自身。由于尺寸增大，基于高表面积和暴露活性位点的光学和催化活性等特性丧失。

为解决这一问题，不同的聚合物/非聚合物材料已被用于制备和稳定mNPs。在不同的聚合物材料中，由合成聚合物和生物聚合物紧密混合制备的新型材料引起了广泛关注[12]。在生物聚合物中，海藻酸钠（AL）是一种重要的生物聚合物，来源于褐藻，具有广泛的可获得性、优异的可生物降解性、无毒特性、可再生性和低成本[13]。它具有出色的凝胶形成能力，可以形成膜、微珠和悬浮液。它具有大量的羧基和羟基官能团，这促进了其作为微容器用于制备不同的mNPs，如Ag [14]，[15]、Fe₂O₃ [16]、Fe₃O₄ [17]和ZnO NPs [18]。负载mNPs的海藻酸盐水凝胶已被用于不同化合物的控释[18]、农业中的生物肥料[19]以及不同污染物的降解[17]。然而，它的机械强度较差，热稳定性较低。由于机械稳定性低，在反复用于不同反应中时会降解，使其从反应混合物中回收困难。然而，这些缺点可以通过接枝聚合改性，与不同的热稳定聚合物结合，以获得具有多功能特性的更稳定复合材料[20]。

Salisu等人报道了钙交联海藻酸钠-poly(methyl methacrylate)微珠的合成及其作为吸附剂从水介质中去除Pb²⁺离子的应用[20]。他们发现微珠中海藻酸的水亲性特性有助于从水介质中去除Pb²⁺离子。

在本工作中，我们将AL与poly(methyl methacrylate)（PMMa）和poly(methacrylic acid)（PMAa）共聚合，以增强其力学性能并设计长梭形凝胶颗粒。PMMa具有出色的光学、电学、热学和力学性能[21]。它还具有高透明度、环境稳定性、低成本、制备简单和易于与其他聚合物材料结合形成不同形态等特点。它可以被设计为薄膜、纳米纤维和水凝胶悬浮液[22]。PMAc是pH敏感聚合物，可以在制备的水凝胶颗粒中诱导pH响应行为。由于AL、PMMa和PMAa的疏水/亲水特性的差异，聚合物链发生不均匀生长，导致梭形凝胶颗粒的形成。长梭形凝胶颗粒提供了制备AuNPs的大表面积。据我们所知，尚无人报道使用AL、MMa和MAa作为主要成分设计梭形水凝胶颗粒，并将其用于制备AuNPs以设计用于处理有毒污染物的纳米复合水凝胶。

在这里，我们通过沉淀聚合方法设计了梭形alginate-poly(methyl methacrylate-methacrylic acid)（AL-PM）水凝胶颗粒。通过改变AuCl₃的用量，采用原位还原法制备了具有不同AuNPs含量的AL-PM水凝胶颗粒。通过UV-可见光谱、FTIR、FESEM、HRTEM、EDX、DLS和TGA分析对AL-PM水凝胶和Au-AL-PM纳米复合水凝胶颗粒进行了表征。在水介质中评价了Au-AL-PM-1、Au-AL-PM-2和Au-AL-PM-3纳米复合水凝胶颗粒对罗丹明B染料（RhB）的还原催化潜力。还进行了响应面法（RSM）研究，以研究多因素效应对Au-AL-PM-1纳米复合水凝胶催化潜力的影响。

章节摘要

材料

丙烯酸（MAc）、甲基丙烯酸甲酯（MMA）、海藻酸钠（AL）、十二烷基硫酸钠（SDS）、NN-亚甲基双丙烯酰胺（BIS）、过硫酸铵（APS）、罗丹明B（RhB）、氯金酸（AuCl₃）和蒸馏水。使用氧化铝作为吸附剂通过真空过滤去除MMA和MAc中的阻聚剂。样品的透析使用截断量为12,000-14,000的透析膜进行。

alginate-poly(methyl methacrylate-methacrylic acid)（AL-PM）水凝胶的合成

在三口圆底烧瓶中，取0.703 g AL于95 mL蒸馏水中，在

alginate-poly(methyl methacrylate-methacrylic acid) [Au-AL-PM] 杂化水凝胶的合成

AL-PM水凝胶通过沉淀聚合方法合成，如先前报道[23]。AL由于羧酸根离子的存在而具有亲水性。通过将MMA接枝到其主链上改善其功能特性，从而提高了稳定性并增强了捕获mNPs的能力[20]。MMA是具有疏水特性的合成聚合物。MAc由于具有甲基和羧酸基团而起到中间体作用，并稳定AL-PM水凝胶悬浮液。由于

结论

通过沉淀聚合方法成功合成了梭形AL-PM水凝胶颗粒，并用AuNPs负载以设计Au-AL-PM纳米复合水凝胶。AL-PM水凝胶中负载的AuCl₃浓度的增加导致AuNPs粒径增大，UV-vis光谱中SPR带向长波长方向移动。FE-SEM分析证实了梭形水凝胶颗粒的形成。XRD分析表明了在AL-PM中制备的AuNPs的结晶特性

CRediT作者贡献声明

Khalida Naseem：写作——审阅与编辑，写作——初稿撰写，项目管理，数据管理。Jawayria Najeeb：方法论，形式分析，数据管理，概念构思。Mustafa Tuzen：方法论，调查研究，数据管理，概念构思。Ghadah Shukri Albakri：验证，软件，调查研究，数据管理。Mudasir Hasan：调查研究，形式分析，数据管理，概念构思。Awais Khalid：软件，资源，形式分析，概念构思。

伦理批准

不适用。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能影响本论文所报告的工作。

致谢

作者感谢King Khalid大学研究生院的研究生与研究生院办公室，通过大型研究组计划资助本研究，资助编号为RGP2/513/47。

Khalida Naseem于2019年获得巴基斯坦拉合尔旁遮普大学化学研究所化学博士学位，并于2025年新加坡国立大学（NUS）完成环境科学博士后研究。她还曾在Prof. Dr. Mustafa Tuzen指导下担任化学系客座科学家（2026年）。目前她在巴基斯坦古杰兰特大学化学系担任助理教授。

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