在我们生活的时代,空气和水是地球上最有限、最珍贵的资源。无论地理位置如何,污染扩散得都会很快,甚至对珠穆朗玛峰这样最纯净的地区也产生了负面影响。因此,人类活动降低了环境质量,使其对动植物有害。


但是,目前的废物处理方法还不够,因此迫切需要新的和有效的方法来最大限度地去除污染物。纳米技术是一种强大的解决方案,可以从空气和水中降解各种剧毒化学品。纳米材料具有独特的物理化学性质,与传统的基于过滤的方法相比,纳米材料能够更快、更有效地催化有害物质解毒。面对全球污染的挑战,由波兰科学院物理化学研究所(IPC PAS) Juan Carlos Colmenares教授领导的一个国际团队为有害化学处理开辟了新的视野。他们已经合成了一种新型纳米材料,可以用于多种有毒化合物的降解。

研究人员合成新型纳米材料 可以用于多种有毒化合物降解

如今,空气和水污染比以往任何时候都要严重,全世界都在寻求补救措施。工业废物中充满了对各种生物有害的有机分子。通常,它们会在环境中长期存留和积累,一旦进入人体,就可能造成严重的问题。根据它们的类型,有些甚至在短暂的低浓度暴露后也可能有致命的影响。即使一些有毒化合物没有被吸入,空气中充满的湿度迟早会渗入水和土壤。空气污染成为一个水和土壤的问题,使其更具有挑战性的有效治理。


规模小,希望大


在许多用于高效空气和水净化的技术中,环境污染的规模需要基于纳米技术的新解决方案和应用。纳米材料提供了一个巨大的高表面积体积比和表面活性,使它们对许多化学物质高度反应。虽然只有一些具有较低的细胞毒性,但它们的多样性不断增长,使它们成为环境修复这一特殊领域的理想应用对象。


最近,在Juan Carlos Colmenares教授的带领下,IPC PAS的研究人员提出使用商业化学稳定和低毒化合物:二氧化钛(TiO2 P-25),并将其与碳基化合物,特别是石墨氧化物(rGO)结合,以有效解毒空气和水中的各种化合物。二氧化钛作为一种光催化剂,可以在紫外线甚至太阳光照下降解多种化学污染物,包括有机化合物甚至微生物。此外,它的合成是经济有效的,这种材料是惰性的分解后的空气呈示。


研究人员提出对经典的二氧化钛纳米颗粒进行修饰,用超声波把它们像羊角面包一样滚动成纳米卷,称为纳米管。滚动的过程导致了独特的性能,并改善了纳米复合材料的光催化性能,其中纳米卷可以作为一些有害化合物的陷阱。这一特性使其成为一种高效的吸附剂,处理后的分子可以卡在纳米管的特定层之间。此外,该材料被剥离到表面,然后化学修饰成新的钛酸盐形式均匀地覆盖整个纳米管。

研究人员合成新型纳米材料 可以用于多种有毒化合物降解

纳米技术的发展表明我们有能力想象和设计新的纳米材料。我们的愿景已成为现实,即合成一种纳米复合材料,将更薄的二维纳米材料石墨烯的独特特性与氧化钛纳米管的高光反应性结合起来。与单独的钛酸纳米管和基准的钛氧化物相比,还原氧化石墨的掺入对所需的物理化学性质以及光催化和吸附效率都有积极的影响。这种合成物对被认为是化学战剂“王”的芥子气具有很高的解毒效率。


实验还揭示了这种复合材料可以作为替代的环境修复应用,以应对过多的有机污染物,以及作为催化剂,将生物质衍生的平台化合物升级为重要的绿色导向化学品。Dimitrios A. Giannakoudakis博士补充说。


将合成的纳米管状涡旋钛酸盐纳米片固定在还原的氧化石墨薄片上,形成比单独的TiO2或富碳氧化石墨烯更有效的催化剂。此外,钛酸盐与还原氧化石墨烯薄片的耦合提高了复合材料的光活性。二氧化钛在紫外线照射下作为光催化剂。与此同时,钛酸纳米管与还原氧化石墨烯耦合也能吸收可见光范围内的光。这两种成分的耦合使得这种复合材料在太阳照射下对空气和水进行各种有害化学物质的净化是通用的。


在他们的工作中,作者提出了一种现代合成方法来实现纳米复合材料的合成。他们还表明,有毒蒸汽在复合材料表面被解毒,形成较少或无毒的分子,可以在材料表面强烈吸附。这项研究发表在《化学工程杂志》(Elsevier)上,展示了其惊人的解毒效果,使这种复合材料成为一种很有前途的高效空气和水污染处理材料。


Juan Carlos Colmenares教授称,我们认为,在水热处理之前的超声波预处理对形成我们的目标均匀纳米复合材料至关重要,该复合材料包括纳米管形状的涡旋三钛酸盐纳米片,这些纳米片具有良好分散和脱落的还原氧化石墨烯,因为磁搅拌(无声的预处理)给了我们一种几乎不活跃的光催化剂。在基准光催化剂二氧化钛纳米复合材料的优越性P25兴起于相关的纳米性质和高的表面官能团数量作为催化中心和其发达孔隙度以及其高水平的可重用性使它成为一个完美的环境修复材料在太阳照射。过去几年,我们与美国纽约城市学院的Teresa J. Bandosz教授进行了卓有成效的合作研究,发现在材料合成过程中利用超声波辐射可以产生具有独特物理化学性质的新型纳米材料。


纳米复合材料的开发和应用在空气和水的修复中越来越受到重视。多亏了纳米材料的独特特性以及它们与传统方法的耦合,我们离高效净化环境又近了一步。


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