除草劑是容易污染水體的主要殺蟲劑，如何有效去除水環(huán)境中的除草劑殘留引起了研究人員的極大關注。本研究以 1,2,3,4-丁烷四羧酸（BTCA）為交聯(lián)劑，采用自組裝水熱法制備了一種 β-環(huán)糊精還原氧化石墨烯（β-CD-BTCA-rGO）氣凝膠。自組裝過程包括 "軟 "β-環(huán)糊精（β-CD）與 "硬 "氧化石墨烯（GO）納米片交聯(lián)，形成穩(wěn)定的β-CD-BTCA-rGO 氣凝膠。制備的 β-CD-BTCA-rGO 氣凝膠具有優(yōu)異的吸附性能。其對磺胺噻唑和喹草酸的吸附量分別為 62.3 和 46.8 mg/g，超過了傳統(tǒng)的還原氧化石墨烯（rGO）氣凝膠和檸檬酸交聯(lián)（β-CDCA-rGO）氣凝膠。相應地，它對喹草酸的吸附容量分別是 rGO 氣凝膠和 β-CD-CA-rGO 氣凝膠的 1.8 倍和 12 倍。利用 Fukui 函數(shù)預測化學反應位點的密度泛函理論（DFT）量子化學計算表明，BTCA 作為交聯(lián)劑，通過羥基和羧基表面官能團與 GO 形成穩(wěn)定的化學鍵（酯鍵），從而形成穩(wěn)定的多孔氣凝膠。此外，還定量測定了各種吸附機理的最高占據(jù)分子軌道-最低未占據(jù)分子軌道（HOMO-LUMO）能隙，發(fā)現(xiàn)靜電吸附是氣凝膠吸附的主要力量。本研究制備的 β-CD-BTCA-rGO 氣凝膠證明了其作為吸附劑的經濟可行性和良好的重現(xiàn)性。因此，β-CD-BTCA-rGO 氣凝膠在修復水系統(tǒng)中的農藥污染方面具有廣闊的應用前景。
Fig 1. rGO 氣凝膠（a）和 rGO 氣凝膠的掃描電鏡圖像（b）；β-CD-BTCA-rGO 氣凝膠（c）和 β-CD-BTCA-rGO 氣凝膠的掃描電鏡圖像（d）；β-CD-CA-rGO 氣凝膠（e）和 β-CD-CA-rGO 氣凝膠的掃描電鏡圖像（f）。
Fig 2. rGO 和 β-CD-BTCA-rGO 氣凝膠的 N2 吸附和解吸等溫線（a）和孔徑分布（b）；rGO 和 β-CD-BTCA-rGO 氣凝膠的傅立葉變換紅外光譜（c）；吸附后 β-CD-BTCA-rGO 和 β-CD-CA-rGO 氣凝膠的傅立葉變換紅外光譜（d）；rGO 和 β-CD-BTCA-rGO 氣凝膠的 XPS 光譜（e）；GO、rGO 和 β-CD-BTCA-rGO 氣凝膠的 XRD 圖樣（f）。
Fig 3. 氣凝膠的形成過程。
Fig 4. 不同β-CD濃度的β-CD-BTCA-rGO氣凝膠、rGO和β-CD-BTCA-rGO氣凝膠（a）對喹草酮的吸附量；β-CD-BTCA-rGO氣凝膠對磺胺噻唑（b）和喹草酮（c）的吸附動力學；描述磺胺噻唑（d）和喹草酮（e）在β-CDBTCA-rGO氣凝膠上吸附的粒內擴散模型。
Fig 5. 硫腙（a）和喹草酮（b）在不同溫度下的吸附等溫線；ln Ce 與 1/T 的關系圖，用于估算硫腙和喹草酮在氣凝膠上吸附的熱力學參數(shù)（c）。
Fig 6. 氣凝膠對磺胺腙和喹咯草酮的吸附機理。
Fig 7. (a)β-CD-BTCA-rGO 的 C1s 解旋；(b)吸附了磺胺噻唑后的β-CD-BTCA-rGO；(c)吸附了喹啉酸后的β-CD-BTCA-rGO；(d)β-CD-BTCA-rGO 的 O1s 解旋；(e)吸附了磺胺噻唑后的β-CD-BTCA-rGO；(f)吸附了喹啉酸后的β-CD-BTCA-rGO。
Fig 8. 不同 pH 值（a）和不同 NaCl 濃度（b）下，磺草酮和喹草酮在β-CD-BTCA-rGO 氣凝膠上的吸附量；循環(huán)時間對β-CD-BTCA-rGO 氣凝膠吸附喹草酮（c）和磺草酮（d）的影響。不同的小寫字母表示不同處理之間存在顯著差異（p < 0.05）。
相關研究成果由湖南農業(yè)大學Kailin Liu和Lianyang Bai課題組于2024年共同發(fā)表在《Journal of Cleaner Production》期刊上，Preparation of β-cyclodextrin-reduced graphene oxide aerogel and its application for adsorption of herbicides，原文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2024.143109
轉自《石墨烯研究》公眾號
