《Inorganic Chemistry Communications》：Sustainable photocatalysis of organic contaminants and removal of dangerous heavy metals and their electro-sensors through a renewable framework of nanoplasmonic, study on Kitchener drain, Kafrelsheikh governorate
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纳米等离子体材料Cr?O?/CeO?/rGO通过高效吸附（MB 57%, RhB 57%, Co2+ 36%, Cr3+ 74%）和光催化降解（MB 99% in 20 min, RhB 42% in 24 min）协同去除有机污染物与重金属离子，并开发出基于石墨电极的电化学传感器精准检测水样中的Pb2+, Cu2+, Hg2+。
Nagi M. El-Shafai | Ibrahim M. El-Mehasseb | Yasser S. Mostafa | Amr M. Beltagi
纳米技术中心，化学系，科学学院，Kafrelsheikh大学，33516，埃及
摘要
本研究的目的是构建一种纳米等离子体结构，该结构利用氧化铬（Cr?O?）和氧化铈（CeO?）来修饰还原氧化石墨烯（rGO）这种电子载体，从而实现清洁水的生产。研究过程中采用了多种方法，包括使用可见光和不可见光进行光催化，以及吸附重金属和有机污染物，并通过电化学和光谱技术对吸附效果进行监测。实验结果显示：对于MB（甲基蓝）的吸附率为57%，RhB（罗丹明B）为57%，Co2?为36%，Cr3?为74%；在NaOH存在下，20分钟后MB的光催化效率达到99%，24分钟后为42%。在不可见光源和等离子体/NaOH的共同作用下，60分钟后MB的降解效率为87%，RhB为42%。改性的1%（w/w）rGO@Cr?O?.CeO?复合材料与石墨电极（GPE）结合使用，能够有效检测Kafrelsheikh地区各种微咸水（Burullus泻湖）和废水样本（Kitchener排水系统）中的Pb(II)、Cu(II)和Hg(II)金属离子。本研究验证了该传感器在精确测量金属离子方面的可靠性。因此，纳米等离子体技术被用于优化一种灵敏且选择性的伏安法，以实现对这些重金属的高灵敏度和选择性检测。由于其独特的光学性质，这种纳米等离子体材料被认为是一种具有潜力用于安全高效水净化的新型纳米材料。
引言
基于光的催化反应是一种有助于减少环境污染和节约能源的工艺，这是确保人类社会实现可持续发展的两个关键因素[1]。无机半导体常被用作光催化剂；当它们吸收光时，会生成自由电子和空穴[2]。然而，无机材料作为光催化剂时存在一些问题，如电子传导率低、电荷复合率高以及化学稳定性差[3]。但它们具有优异的化学稳定性、较大的比表面积和弹性孔结构，使其成为高效光催化的理想材料[4]。仅利用大气中的氧气作为反应物，光催化过程就能以经济高效的方式分解有机污染物，并在常温条件下生成无害的副产物[5]。这是一种环保、低能耗且无毒的污染物去除方法。有机污染物（如微塑料、重金属和纺织染料）无法通过过滤或膜过滤等吸附方法有效去除，因为它们不易生物降解[6]。四种主要污染源会污染水体（湖泊、河流、海洋、含水层和地下水）：城市雨水径流、工业废水、农业活动以及污水排放[7]。人类若使用受污染的水进行灌溉或饮用，可能会导致严重问题，例如水生生态系统的破坏和疾病传播[8]。当有毒化学物质（包括农药、重金属、染料和抗生素）在地表水和地下水中浓度升高时，会对人类和环境健康构成严重威胁[9]。快速的工业化进程导致大量有毒有机污染物释放到环境中[10]。这些污染物进入水道后会引起多种问题，如污水处理厂堵塞、水生生物和生态系统的破坏（由于生化需氧量增加），以及水生生物的损伤[11]。此外，纺织染料、微塑料和重金属等有机污染物还会引发癌症、基因突变和内分泌系统紊乱等健康问题[12]。涉及甲基蓝（MB）、罗丹明B（RhB）和甲基橙（MO）等染料的染色工艺在皮革鞣制和化妆品等行业中被广泛使用[13]。这些染料是常见的水体污染物，即使在少量存在时也会阻碍阳光穿透并干扰光化学反应[14]。由于药品废水处理不当，水生系统中检测到了抗生素残留[15]。近年来，抗生素耐药性问题日益严重，这主要是由于药品和兽医领域中抗生素的不当和过度使用[16]。重金属的危害包括消化系统和泌尿系统问题、神经系统疾病、皮肤损伤、血液循环障碍、免疫系统受损以及先天缺陷等[17]。另一方面，低剂量暴露的潜在危害往往在长期累积后才会显现[18]。这可能导致神经精神障碍（如疲劳和焦虑），并对儿童认知发展和智商产生负面影响[19]。铅中毒对中枢神经系统尤其有害；虽然成人摄入的铅只有约10%能进入体内，但在儿童体内这一比例可能高达四到五倍[20]。基于对人类群体的研究，世界卫生组织于1993年建议饮用水中铅的最大允许浓度为10 μg L?1[21]。随着含铅汽油添加剂的减少、空气中铅浓度的下降，以及饮用水中铅作为总摄入源的作用日益突出，世界卫生组织将饮用水中的铅含量推荐值定为10 μg L?1（4.8 nM）[22]。汞污染的来源包括城市地区、煤炭燃烧、化学工业和金矿开采[23]。即使不直接接触汞的工作人员也可能通过食物摄入甲基汞，世界卫生组织规定饮用水中汞的总含量不得超过1.0 μg L?1（5 nM）[24]。铜对植物和动物是必需矿物质，但过量摄入会导致胃肠不适（如高铜血症）、呕吐、恶心、肌肉疼痛和溶血[25]。世界卫生组织认为2.0 mg/L的铜浓度是安全的[26]。为了同时或分别检测Pb(II)、Cu(II)和/或Hg(II)，表1列出了一些常用的电分析传感器[27]。纳米材料（NMs）被应用于各种依赖于吸附和光催化作用的水净化系统中，通过将NMs与有机聚合物、原材料和金属氧化物纳米颗粒结合可制备出具有独特性能的复合材料[28]。例如，碳纳米管、还原氧化石墨烯（rGO）和氧化石墨烯（GO）被用于水处理（见示意图1）。
化学物质和设备
本研究中使用的所有化学物质均为分析纯。Sigma-Aldrich公司提供了多种试剂，包括石墨、硝酸铵、盐酸、氢氧化钾、硝酸铈（Ce(NO?)?）和硫酸铬（Cr?(SO?)?）。通过用去离子水稀释Zn(II)、Cd(II)、Pb(II)、Cu(II)、Sb(III)、Bi(III)和Hg(II)标准溶液，制备了相关金属离子的工作溶液。
SEM和TEM显微图
为了观察rGO@Cr?O?.CeO?纳米材料的制备情况，使用场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）在不同放大倍数下拍摄了形态照片；能量色散X射线（EDX）分析验证了材料的制备过程（图1），EDX映射显示了rGO表面的元素分布。rGO表面呈现为单层大片结构，边缘清晰，表面粗糙[33]。Cr?O?纳米颗粒和CeO?纳米颗粒的形态特征也得到了相应研究。
结论
成功制备了基于氧化铬、氧化铈和碳载体的纳米等离子体结构。该结构在光催化和吸附过程中表现出优异的性能，对MB、RhB、Co2?和Cr3?的吸附能力分别为57%、57%、36%和74%，这得益于其较大的比表面积和高度活化的表面。在NaOH存在下，20分钟后MB的光催化效率为99%，24分钟后RhB的光催化效率为42%。
致谢
作者感谢King Khalid大学的研究与研究生院通过项目编号RGP2/268/46提供的资金支持。
作者贡献声明
Nagi M. El-Shafai：撰写、审稿与编辑、原始草稿撰写、数据可视化、结果验证、实验监督、软件使用、资源协调、项目管理、方法设计、实验设计、资金筹集、数据分析、概念构思。
Ibrahim M. El-Mehasseb：数据管理、数据分析、资金筹集、实验设计。
Yasser S. Mostafa：数据管理、数据分析、资金筹集、实验设计。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。
