使用β-环糊精锚定的钒酸镍纳米材料环保去除刚果红染料

《Applied Catalysis A: General》：Eco-friendly Removal of Congo Red Dye using β-Cyclodextrin Anchored Nickel Vanadate Nanomaterials

　　**β-CD功能化Ni?V?O?纳米复合材料（水热法合成）**- β-CD锚定减小了晶粒尺寸并增强了可见光吸收- 光催化剂实现了99.2%的刚果红降解率，总有机碳矿化率达85%- 优异的循环稳定性，四次连续循环后效率仅损失8%- 可扩展、环保的废水治理与太阳能驱动催化策略## 引言染料和工业颜料是造成日益严重环境危害的重要物质类别[1]。人工染料中，刚果红是一种已知的合成来源且具有毒性的偶氮染料(2)、(3)。由于其对纤维素纤维的高亲和力，刚果红在工业上有着广泛应用。然而，刚果红会转化为苯二胺——一种已知的致癌物；此外，刚果红本身也具有致癌性，并对皮肤、呼吸道、眼睛和胃肠道系统产生不良影响(4)、(5)、(6)、(7)。已开发出多种方法用于消除工业废水中的刚果红，包括吸附[8]、混凝/絮凝[9]和电絮凝[10]。尽管其中一些方法速度较快，但并非所有方法都能有效处理有害有机污染物。为解决持续性污染物进入环境的问题，人们提出了有效且环保的解决方案，如高级氧化工艺（AOPs）[11]。在众多过程中，异相光催化作为一种经济且环保的方法脱颖而出[12]。它利用广泛可再生利用的太阳能，可通过电学、热学或化学途径获取[13]。光催化在去除各种环境（即空气、土壤、水体）中的污染物以及制氢方面有着广泛应用。该过程通过产生电子-空穴对（e?/h?）引发氧化过程，从生态角度来看具有重要的意义，能够广泛实现矿化作用[14]。换言之，光的作用是为电子从价带跃迁到导带提供所需能量，同时在价带留下带正电的空穴。电子-空穴对通过光形成，随后会与吸附的氧气和水反应，产生·O??和·OH等化学活性物种。这些活性物质通过矿化作用破坏染料分子结构，将其转化为CO?和H?O(15)、(16)、(17)。寻找经济高效的新型光催化剂来处理废水的需求引发了广泛关注[18]。有许多被认为适用于光催化的材料，如硫化物、金属纳米颗粒等(19)、(20)、(21)、(22)、(23)。钒酸盐的优势在于，仅通过改变合成参数即可调控其特性。此类纳米材料能够吸收光、载流子并参与表面氧化还原反应，可被认为在光催化、化学传感、电化学和环境应用领域有广泛应用前景。近年来，对CeVO?、NdVO?和BiVO?等材料的研究表明，它们在降解水中染料和药物污染物方面具有高效性(24)、(25)、(26)、(27)、(28)。在钒酸盐中，存在不同结构，可用通式ABO?、AB?O?和A?B?O?描述。在该通式中，A代表Fe、Co、Ni、Bi、Sm等元素，B代表钒(29)、(30)。得益于这种结构多样性，其物理性质易于调控，使其非常适用于工业生产。在相关材料中，镍钒酸盐引起了广泛关注(31)、(32)、(33)。然而，NiV存在一些缺点，如电子和空穴快速复合或导电性较低。为解决这一问题，人们提出了不同的钒酸盐表面修饰方法。β-环糊精是一种有前景的生物聚合物，因其众多官能团在确保纳米颗粒稳定性方面具有重要作用，这些官能团可执行还原、封端和稳定等多种功能[34]。环糊精被有效用作封端剂来控制纳米颗粒的特性和性质(35)、(36)。引入封端剂有助于最小化颗粒团聚，同时兼顾空间效应和适当的表面钝化，从而提高生物相容性[37]。本研究提出了一种简单且经济的 hydrothermal方法，用于制备基于β-环糊精的NiV纳米复合材料。与通常用于制备异质结或硫族元素掺杂应用的其他方法不同，β-CD具有独特的亲水表面和疏水内腔结构[38]。该空腔可容纳刚果红等客体分子，从而提高正在进行光催化的表面分子浓度。此外，β-CD表面的-OH基团有助于其与NiV结合，从而改善纳米颗粒的分散性[39]。最后，β-CD@NiV纳米复合材料的优异功能可由其与传统聚合物修饰光催化剂之间的差异来解释，因为传统方法中聚合物仅用作粘结剂[39]。已有大量研究针对去除偶氮染料的光催化剂进行了探索。本研究表明，与标准异质结或掺杂光催化剂相比，β-环糊精作为界面活性组分具有独特优势，因为它可以通过其空腔通过主-客体相互作用将刚果红接近NiV。此外，它还锚定颗粒以防止团聚，提供电子转移通道，并降低载流子复合率。虽然许多光催化剂仅关注染料去除，但本研究利用可见光降解，并结合PL/TRPL光谱和Mott-Schottky方法，为理解污染物降解机制和颗粒稳固性做出贡献。## 章节摘要### 化学试剂六水合硝酸镍（Ni(NO?)?·6H?O，≥98%）和偏钒酸铵（NH?VO?，≥99%）购自Sigma-Aldrich（美国密苏里州圣路易斯）。乙醇（C?H?OH，≥99.9%，分析纯）、氢氧化钠（NaOH，≥97%）和硫酸（H?SO?，98%）由Loba Chemie（印度孟买）供应。β-环糊精（β-CD，粉末，≥98%）购自Fisher Scientific Ltd.（美国马萨诸塞州沃尔瑟姆）。刚果红（CR，C??H??N?Na?O?S?，≥85%染料含量，λmax ≈ 497 nm，Mw = 696.66 g mol?1）购自### 材料表征NiV、β-CD和β-CD@NiV纳米复合材料的FTIR光谱可在图1中观察到。纯NiV在793、634、584和468 cm?1处表现出明显特征峰（Ni-O和V-O振动），证实了镍钒酸盐的存在[32]。另一方面，β-CD在3276 cm?1处显示宽泛的O-H峰，2830 cm?1处显示C-H伸缩振动，以及其他包括1642、1157和1023 cm?1的峰，分别对应水弯曲振动、C-O-C键合和环糊精结构[36]。### 结论已成功开发了一种环保的β-环糊精功能化镍钒酸盐（β-CD@NiV）纳米复合材料，用于在可见光下消除水中污染物刚果红。XRD和FTIR证实了结晶NiV结构、镍和钒晶格结构以及因β-CD存在而产生的羟基和糖苷基团相应振动的成功形成。电子显微镜显示β-CD@NiV的结构为### 伦理与参与同意不适用### 未引用参考文献[43]；[46]；[49]；[53]；[54]### 资金支持本研究未获得外部资金支持。### CRediT作者贡献声明**Fahad Alharthi：** 撰写—审阅与编辑，撰写—原稿，可视化，验证，监督，软件，资源，项目管理，方法论，调查研究，资金获取，形式化分析，数据管理，概念化。### 利益冲突声明作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些可能影响本文所述工作。### 致谢作者感谢沙特阿拉伯利雅得沙特国王大学持续研究基金（ORF-2026-160）的支持。### 竞争利益作者声明不存在竞争利益。### 发表同意不适用---**Fahad Alharthi**