《Next Materials》：In-situ synthesis of peanut shell-derived chitosan-biochar-magnesium nanocomposites for the remediation of Emamectin benzoate pesticide
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获取安全饮用水和无污染物食品是全球紧迫关切，因日常饮用水和食品中残留农药及其他污染物的高流行率会对人类健康产生负面影响并降解环境。因此，减轻风险并保证安全饮用水和食品的有用策略之一是残留农药的修复。从这个角度，壳聚糖-生物炭镁纳米复合材料（Chitosan-B
获取安全饮用水和无污染物食品是全球紧迫关切，因日常饮用水和食品中残留农药及其他污染物的高流行率会对人类健康产生负面影响并降解环境。因此，减轻风险并保证安全饮用水和食品的有用策略之一是残留农药的修复。从这个角度，壳聚糖-生物炭镁纳米复合材料（Chitosan-Biochar Magnesium nanocomposites, CS-BC-Mg NCs）在为 reckless 使用农药对安全饮用水构成威胁的应对中作出了显著贡献。在此，新型 CS-BC-Mg NCs 通过原位单锅法从花生壳中有效制备。合成后的 NCs 使用紫外-可见分光光度计（UV–vis spectrophotometer）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）、场发射扫描电子显微镜（FESEM）、透射电子显微镜（TEM）、热重分析（TGA）和布鲁纳尔-埃米特-特勒（Brunauer-Emmett-Teller, BET）表面积测量进行表征。粉末X射线衍射（PXRD）结果表明形成了六方晶系 Mg 晶体，TEM 分析显示平均粒径为 52.107 nm。NCs 具有适中的 BET 表面积 54.9 m2/g，表明具有大量可及吸附表面。研究人员使用这些 NCs 通过批次吸附研究 EMB 的降解，结果显示在最优条件（pH 5，吸附剂剂量 1 mg/ml，初始浓度 50 ppm）下最高去除效率为 78.34%。使用 Langmuir、Freundlich 和 Dubinin-Radushkevich（D–R）等温线模型研究吸附机制。此外，CS-BC-NCs 通过 Langmuir 模型确定最大吸附容量（qm）为 163.93 mg g?1。吸附等温线分析表明与 Freundlich 等温线高度拟合（R2 = 0.9648），表明 EMB 通过多层形成在 NCs 的异质位点上被吸附。FTIR 分析和粒径测量结果有助于理解吸附机制。此外，经过四次重复吸附-解吸循环后，CS-BC-Mg NCs 以 46.88% 的效率去除 EMB。这些发现表明合成的 NCs 可能是去除残留农药的可持续且具有成本效益的纳米复合材料。此外，通过从水溶液中去除农药，将有助于实现可持续发展目标（SDG）第6项（获得清洁水和卫生设施）和 SDG 第3项（良好健康与福祉）。
该研究发表于《Next Materials》。研究背景方面，农药在现代农业中至关重要，可提高农业产出并保障粮食安全，但其广泛使用对环境与公共健康构成重大威胁。甲氨基阿维菌素苯甲酸盐（Emamectin benzoate, EMB）作为常用农药，对水生动物和哺乳动物具有高毒性，其在环境中的长期持久性、生物累积性与生物放大性带来严重风险，因此从受污染的水体、土壤及食用产品中去除 EMB 十分必要。现有生物、化学及物理修复技术中，原始生物炭因吸附位点有限及表面官能团不足限制了其去除污染物的能力，而单一机制材料在农药去除方面存在局限。为此，研究人员开展了一项利用农业废弃物花生壳衍生制备壳聚糖-生物炭-镁纳米复合材料（CS-BC-Mg NCs）并用于 EMB 吸附修复的研究，旨在开发一种可持续、低成本且高效的纳米复合材料以去除水体中残留农药，助力实现 SDG 6 与 SDG 3。
研究人员为开展研究用到的主要关键技术方法包括：以当地市场获取的花生壳为生物质样本来源，在缺氧环境下经 400°C 马弗炉煅烧制备生物炭（Biochar, BC）；采用原位单锅法合成 CS-BC-Mg NCs，利用壳聚糖（Chitosan, CS）作为温和还原剂与稳定剂，将镁硫酸七水合物嵌入 CS-BC 体系中；使用 UV–vis、FTIR、XRD、FESEM、TEM、TGA 及 BET 等多种仪器对 NCs 进行结构与性质表征；通过批次吸附实验优化 pH、吸附剂剂量、接触时间及 EMB 初始浓度等参数，结合 Langmuir、Freundlich 与 D–R 等温线模型及伪一级、伪二级动力学模型分析吸附机制；并开展四轮吸附-解吸循环实验评估材料再生性能。
研究结果如下：
3.1. Characterization of CS-BC-Mg NCs。研究人员通过 UV–vis 光谱在 270 nm 处观察到吸收峰，表明形成了小尺寸 Mg 颗粒并表现出局域表面等激元共振（LSPR），通过 Tauc 图估算光学带隙（Eg）为 4.51 eV。FTIR 光谱在 419 cm?1 至 611 cm?1 出现 Mg–O 振动吸收峰，证实 Mg 存在于 NCs 中。PXRD 图谱显示对应于六方晶系 Mg 的衍射峰（JCPDS 04–0770），并含微量 Mg(OH)2 与来自花生壳的 SiO2。TGA 分析表明 NCs 在 500°C 以上具有高耐热稳定性，800°C 时残重 >88%。BET 分析显示为 IV 型等温线与滞后环，具介孔行为，SBET 为 54.9 m2/g，平均孔径 12.315 nm，累积脱附孔容 0.1827 cm3/g。HR-SEM 显示团聚颗粒状纳米结构且表面粗糙，EDS 显示 Mg 原子百分比达 12.5%。TEM 显示平均粒径 52.107 nm，HRTEM 中晶格条纹 2.79 ? 对应于 Mg (100) 面，SAED 图进一步确认结晶性及 Mg 晶面存在。
3.2. The EMB removal efficiency of CS-BC-Mg NCs。3.2.1. Effect of solution pH in the adsorption study。研究发现 pH 对吸附影响显著，pH 5 时为最优条件，去除率达 78.3%，pH 3 时仅 35.2%，因酸性条件下水合氢离子竞争活性位点；pH >5 时 EMB 溶解度降低及静电作用减弱导致效率下降。零电荷点（pHpzc）为 9.2。3.2.2. Effect of initial concentration of EMB in the adsorption study。初始浓度 50 ppm 时去除率最高（47%），随浓度增至 300 ppm 而下降，因活性位点饱和与空间位阻。等温线拟合显示 Freundlich 模型（R2 = 0.9648）优于 Langmuir（R2 = 0.9081），表明为异质位点多层吸附；D–R 模型得吸附能 E = 7.071 kJ mol?1（<8 kJ mol?1），属物理吸附（physisorption）。Langmuir 模型 qm 为 163.93 mg g?1。3.2.3. Effect of dose in the adsorption study。吸附剂剂量 1 mg/ml 时去除率最高（62%），过低剂量表面积不足，过高剂量（1.5 mg/ml）因纳米颗粒团聚降低可用表面致效率不升。3.2.4. Effect of contact time in the adsorption study。接触时间 100 min 达平衡，前 30 min 快速吸附（62%），随后放缓，100 min 时最高 78.3%。动力学分析显示伪二级模型（R2 > 0.999）比伪一级模型更适用。
3.3. EMB adsorption mechanism study。FTIR 显示吸附后 Mg–O 等峰强度下降，表明 EMB 与活性基团相互作用，EMB 分子苯环骨架振动（1644 cm–1）与 C–H 弯曲（1421 cm–1）出现；流体力学直径由 0.5052 μm 增至 11.666 μm，证实 EMB 被摄取后 NCs 团聚。机制涉及 π–π 堆积、疏水作用、氢键及电子共享。
3.4. Reusability study of CS-BC-Mg NCs adsorbent。四轮乙醇与乙腈混合液（7:3）解吸循环后，去除效率由首次 78.3% 降至第四轮 46.9%，显示材料具一定再生能力与经济性。
3.5. Comparison study。与已有报道的 MgO 掺杂稻壳生物炭、分级多孔 MgO、纳米磁化橙皮生物炭、Fe3O4/石墨烯纳米复合材料等相比，该 CS-BC-Mg NCs 在较高初始浓度（50 ppm）及成本较低条件下仍具良好去除效率（78.34%）与较高 Langmuir 最大吸附容量（163.93 mg g?1）。
总结讨论部分，研究人员指出本研究提出了一种制备 CS-BC-Mg NCs 的新方法，并通过多种精密仪器表征确认其具高热稳定性、丰富表面官能团及适中表面积，利于苛刻条件下长期稳定吸附。批次实验表明 pH 5、1 mg/ml 剂量、100 min 内达最优 EMB 去除（78.34%）。吸附符合 Freundlich 等温线，证实质多层吸附，BET 的 IV 型等温线与滞后环亦支持此点。花生壳衍生生物炭纳米复合材料因其化学稳定性、环境友好及低更换成本，可有效作为农药去除生物吸附剂，广泛用于实际水样、农业系统、饮用水与工业废水中的农药去除，并助力 SDG 6 与 SDG 3 达成。
研究结论部分原文翻译为：本工作介绍了一种制备 CS-BC-Mg NCs 的新方法，并使用各种精密仪器对其进行表征，包括 UV–vis 分光光度计、FTIR、XRD、FESEM、TEM、TGA 和 BET 表面积测量。这些 NCs 表现出多种有趣的特性，如高温下的热稳定性、自由可用的表面官能团和适中的表面积，证明其具有高吸附能力和苛刻条件下的长期稳定性。通过批次实验进行 NCs 吸附，在 pH 5、1 mg/ml 剂量、100 min 内发现 EMB 最高去除效率。吸附等温线表明 CS-BC-Mg NCs 遵循 Freundlich 吸附等温线，提示多层吸附，进一步由 BET 分析证实，其显示 IV 型气体吸附等温线与滞后环。BET-N2 吸附测试表明 CS-BC-Mg NCs 粒径具良好吸附能力。因此，花生壳衍生生物炭纳米复合材料可能因化学稳定性、环境友好性和低更换成本而成为有效的农药去除生物吸附剂。CS-BC-Mg 纳米复合材料可广泛应用于实际样品、农业系统、饮用水、工业废水中去除农药。此外，合成的 CS-BC Mg NCs 将通过去除饮用水中的物质，助力实现 SDG 第6项目标（获得清洁水和卫生设施）。它还通过帮助创造无农药环境间接支持实现 SDG 第3项目标（良好健康与福祉）。
