经过CuO改性的石墨碳氮化物作为一种双功能平台,可用于有机污染物的去除以及镉离子的等离子体检测

《Microchemical Journal》:CuO-modified graphitic carbon nitride as a bifunctional platform for organic pollutant reduction and plasmonic detection of cadmium ions

【字体: 时间:2025年10月03日 来源:Microchemical Journal 5.1

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  CuO修饰g-C3N4纳米片通过两步合成,兼具暗条件下高效催化降解甲基橙和吡虫啉的能力,以及等离子体荧光检测Cd2+离子的功能,为环境修复提供多功能材料。

  
Muradiye ?ahin
土耳其科尼亚塞尔丘克大学化学系,校区地址:42075

摘要

本研究实现了CuO修饰的石墨碳氮化物(CuO@g-C?N?)杂化纳米片的简单两步合成,该纳米片具有催化和传感功能。通过三聚氰胺的热聚合作用制备出原始的g-C?N?,然后利用原位沉积的CuO纳米粒子对其表面进行改性,得到了具有丰富活性位点和增强电子转移能力的均匀纳米复合材料。结构(XRD)、光学(UV–Vis)和形态(SEM-EDS、TEM)表征证实了p–n异质结的成功形成、带隙的缩小(从2.55?eV降至1.84?eV),以及CuO纳米粒子在g-C?N?层中的均匀分布。这种杂化材料对NaBH?辅助降解甲基橙(MO)和乙酰氨基吡啶(ACT)表现出优异的催化活性,污染物去除速率符合伪一级动力学。此外,CuO@g-C?N?在Cd2?离子作用下表现出明显的表面等离子体共振(SPR)位移,使其能够作为等离子体荧光传感器使用。检测参数显示其检测限(LOD)和定量限(LOQ)分别为107.6?μM和358.7?μM。虽然之前已有报道基于g-C?N?的复合材料同时具备光催化和传感功能,但据我们所知,这是首次在CuO@g-C?N?平台上实现NaBH?辅助的偶氮染料还原和新烟碱类杀虫剂的催化作用,并通过SPR介导的荧光响应实现Cd2?检测,为环境修复和监测提供了经济有效的途径。

引言

水是所有生命形式不可或缺的资源,但其质量每年都受到药物、纺织染料和杀虫剂等污染物的威胁[1]。纺织工业释放的染料由于其致癌、致突变和生态毒性而带来严重的生态危害[2,3]。甲基橙(MO)是一种偶氮染料,据报道会导致严重的健康问题,包括肺组织退化、心悸和呕吐[4]。乙酰氨基吡啶(ACT)是一种新烟碱类杀虫剂,因其高杀虫效率和选择性而在农业中得到广泛应用[5]。然而,其高水溶性(4.25?g/L)[6]及其在土壤中的移动性[7, [8], [9]]会导致水生环境的持续微污染。人类接触ACT与神经发育障碍、先天性心脏缺陷、记忆丧失和震颤有关[10, [11], [12], [13]],同时其对环境的影响也威胁着水生生物、土壤微生物群和有益昆虫[14, [15], [16]]。这些问题迫切需要开发有效的策略来去除受污染水体中的ACT和MO[17]。已经探索了多种方法来去除和/或降解这些污染物,包括氧化[18,19]、光催化[20,21]、混凝[22]、液-液萃取[23]、臭氧氧化[24]、吸附[25, [26], [27], [28]]、好氧降解[29,30]和纳滤[31, [32], [33], [34]]。其中,异相化学催化因其环保性、高效率、操作简便性以及在温和反应条件下进行的可行性而成为一种有前景的替代方案[35]。这种方法利用硼氢化钠(NaBH?)等还原剂快速降解有毒化学物质,并且与光催化相比更具经济性,因为它不需要昂贵的光源或大的带隙进行光激活[36]。
石墨碳氮化物(g-C?N?)是一种无金属的二维聚合物半导体,由通过氨基桥连接的三-三嗪单元组成,相邻层通过范德华力结合[37,38]。由于其适中的带隙、高机械强度、低成本以及出色的化学和热稳定性,g-C?N?在多种应用中受到关注,包括吸附、催化、纳米填料、传感和光电子学[37, [38], [39]]。它可以从尿素和三聚氰胺等丰富的含氮前体中容易合成,并且无毒,使其成为异相催化的理想候选材料[40]。基于g-C?N?的催化剂已成功应用于细菌灭活[41]、CO?还原[42]、化学污染物降解[43]、水分解[44]和传感器开发[45]。提高g-C?N?导电性和氧化还原效率的有效策略之一是将其与窄带隙半导体结合[46, [47], [48]]。氧化铜(CuO)纳米粒子特别有吸引力,因为它们天然丰富、成本低廉、催化活性高、带隙窄,适用于大规模应用[49]。当CuO掺入g-C?N?中时,不仅可以改善电荷分离和电子传输,还可以提供额外的活性位点,从而提升催化和传感性能。
在本研究中,通过简单的两步煅烧方法合成了CuO@g-C?N?杂化纳米片。第一步通过三聚氰胺的热缩合制备g-C?N?,第二步将CuO纳米粒子固定在其上。所得材料经过全面表征,并系统测试了其在不同催化剂和还原剂浓度下对NaBH?辅助降解MO和ACT的效果。此外,还研究了CuO@g-C?N?作为200–800?μM浓度范围内Cd2?检测的等离子体传感器的潜力。据我们所知,这是首次报道CuO@g-C?N?同时具备偶氮染料还原和新烟碱类杀虫剂还原的双重功能,以及对其Cd2?离子的选择性等离子体检测能力,从而提供了一个经济高效的多功能环境修复平台。

章节片段

CuO@g-C?N?杂化纳米催化剂的制备

g-C?N?是通过热剥离法合成的。简要来说,将5?g三聚氰胺粉末(C?H?N?,99?%,Sigma-Aldrich)放入带盖的氧化铝坩埚中,在550?°C下以10?°C?min?1的升温速率加热4?h[50]。冷却至室温后收集得到的黄色多孔g-C?N?纳米片。
CuO@g-C?N?杂化物的合成遵循Atacan和?zacar的方法,并进行了少量修改[51]。在典型过程中,将0.012?g g-C?N?分散在...

CuO@g-C?N?杂化纳米催化剂的特性

CuO@g-C?N?杂化催化剂的XRD图谱见图S1(a)。该杂化材料的衍射峰与标准g-C?N?的衍射峰非常相似,同时出现了与CuO对应的额外峰,证实了复合材料的成功合成[54]。与原始g-C?N?相比,CuO@g-C?N?的衍射峰略微向较低的2θ值偏移,这可以根据布拉格定律解释为CuO的存在[55,56]。值得注意的是,衍射峰的全宽有所减小...

结论

通过简单的两步工艺成功合成了新型CuO@g-C?N?杂化纳米片,结合了g-C?N?的催化性质和CuO纳米粒子的电子及表面特性。所得纳米复合材料在NaBH?辅助降解MO和ACT时表现出高催化效率,在黑暗条件下遵循伪一级动力学实现快速去除。此外,该材料还作为Cd2?的选择性等离子体荧光传感器发挥作用。

CRediT作者贡献声明

Muradiye ?ahin:撰写 – 审稿与编辑,撰写 – 原稿,可视化,验证,方法学,数据分析,概念化。

写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备本工作时,作者谨慎地使用了ChatGPT来提升语言表达和可读性。使用该工具后,作者对内容进行了必要的审查和编辑,并对出版物的内容负全责。

未引用参考文献

[74]

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

我衷心感谢塞尔丘克大学和克尔谢希尔阿希埃夫兰大学在实验研究中的支持,以及?lkay Hilal Gübbük教授的帮助。
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