基于磷酸盐的超交联聚合物，利用氢键效应高效去除酚类污染物

《Separation and Purification Technology》：Phosphate-based hyper-crosslinked polymers for efficient removal of phenolic pollutants based on H-bond effect

针对水处理中抗生素和染料的降解问题，本研究采用水热法合成Er3?和Gd3?共掺杂的钡钛酸纳米粒子，通过压电催化效应实现高效降解，并验证其抗菌和抗癌潜力。摘要：通过掺杂Er3?和Gd3?增强钡钛酸基纳米粒子的压电响应，成功降解刚果红和环丙沙星，抑制铜绿假单胞菌生长，同时保持对正常细胞的生物相容性，为水处理和生物医学应用提供新方案。

　　水污染问题日益严重，已成为全球范围内的重大环境与健康挑战。特别是有机染料、抗生素和病原菌等污染物，由于传统处理方法的局限性，常常难以彻底去除。这些污染物不仅对生态系统造成破坏，还可能通过食物链影响人类健康，引发抗生素耐药性、毒性和基因毒性等问题。因此，寻找高效、环保、可持续的水处理技术显得尤为迫切。本文介绍了一种基于压电催化的新方法，利用掺杂稀土离子的氧化钡钛（BTO）纳米颗粒，实现了对有机染料和抗生素的有效降解，并展示了其对病原菌的高效灭活能力。

压电催化是一种利用压电材料在机械压力作用下产生内部电场，从而促进氧化还原反应的技术。该方法的优势在于无需依赖外部光源，能够利用自然界中广泛存在的低频机械能，例如水声波、水流等。此外，压电材料产生的电场有助于抑制电子与空穴的复合，从而提高催化效率。然而，传统压电材料如含铅的钙钛矿氧化物存在一定的环境风险，限制了其在实际应用中的推广。因此，研究者们开始探索无铅的替代材料，以减少对环境的影响并提高材料的稳定性。

在众多无铅压电材料中，氧化钡钛（BTO）因其优异的压电性能、良好的电导率以及非中心对称的晶体结构而备受关注。BTO的压电性能可以通过引入稀土离子进行调控，从而增强其催化活性。稀土离子如铒（Er3?）和钆（Gd3?）因其较小的离子半径和独特的电子结构，被认为是理想的掺杂元素。这些离子能够诱导晶格畸变，增加氧空位，进而改善材料的压电响应和催化性能。

本文通过水热法合成了一种掺杂铒和钆的BTO纳米颗粒（EBT和GBT），并系统研究了其在超声波条件下的压电催化性能。实验结果显示，EBT表现出优于GBT的催化活性。在15 kHz超声波刺激下，EBT在75分钟内可有效降解 Congo Red 染料（CR）和环丙沙星（CIP）抗生素，其降解效率分别达到约93.65%和89.5%。此外，EBT在20分钟内实现了对铜绿假单胞菌（P. aeruginosa）的高效率灭活，显示出其在抗菌领域的潜力。

在细胞相容性测试中，EBT和GBT均表现出良好的生物相容性，对正常WI-38成纤维细胞的存活率分别保持在约94%和91%。相比之下，对U87MG胶质母细胞瘤细胞的存活率则显著下降，EBT降至约30%，GBT降至约42%。这一结果表明，EBT和GBT在抗癌应用方面也具有广阔的前景。细胞毒性实验进一步证实了这两种纳米颗粒在低浓度下对细胞的无害性，为它们在环境修复和生物医学领域的应用提供了安全性的支持。

压电催化材料的制备和优化是本研究的核心。水热法是一种常用的纳米材料合成方法，能够实现高纯度、均匀尺寸的纳米颗粒。通过调控反应条件，如温度、pH值和前驱体比例，可以进一步优化材料的结构和性能。实验中，通过将BaCl?·2H?O、GdO?和醋酸铒溶解在TiCl?溶液中，再加入草酸溶液并调节pH值至11，成功合成了EBT和GBT纳米颗粒。随后，将混合物在180°C下进行水热反应，经过离心和干燥处理，获得了最终的纳米颗粒产物。

为了评估EBT和GBT的性能，研究者们采用了多种表征手段。X射线衍射（XRD）分析用于确认材料的相组成、结晶度和结构完整性。扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）则用于观察纳米颗粒的形貌和尺寸分布。拉曼光谱和紫外-可见漫反射光谱（UV-Vis DRS）进一步揭示了材料的光学性质和电子结构的变化。这些表征结果表明，掺杂稀土离子的BTO纳米颗粒具有良好的结晶度和均匀的形貌，同时其光学性质也得到了显著改善。

压电催化反应的机理主要涉及机械能的转换和电荷的分离。当BTO纳米颗粒受到超声波刺激时，机械振动会引起晶格畸变，从而在材料内部产生电场。该电场有助于分离电子和空穴，使其分别迁移至材料的两个极性表面，进而驱动表面反应，降解有机污染物。同时，稀土离子的引入通过增加氧空位和晶格畸变，进一步增强了材料的压电响应和催化活性。此外，研究还发现，稀土离子的掺杂不仅提高了材料的催化性能，还增强了其在生物医学领域的应用潜力。

在实际应用中，EBT和GBT纳米颗粒展现出良好的环境适应性和稳定性。实验表明，它们在低能超声波刺激下仍能保持高效的降解能力，且在多次循环后仍具有较高的性能。这种稳定性使得它们在废水处理和生物医学领域具有广阔的应用前景。此外，EBT和GBT的非毒性特性也使其在实际应用中更加安全可靠，为大规模推广提供了基础。

研究还探讨了EBT和GBT在不同环境条件下的表现。例如，在不同的pH值、温度和超声波频率下，它们的降解效率和抗菌能力均有所变化。通过优化这些参数，可以进一步提高材料的性能，使其在实际应用中更加高效。此外，研究还评估了材料在不同污染物浓度下的降解能力，发现它们在较低浓度下表现良好，但在高浓度下仍需进一步研究以确定其适用范围。

在实际应用中，压电催化技术的推广面临一些挑战。例如，如何在大规模应用中保持材料的稳定性，如何降低其生产成本，以及如何确保其在不同环境条件下的适用性。这些问题需要进一步研究和优化。此外，尽管EBT和GBT在降解污染物和抗菌方面表现出色，但其在实际应用中的安全性仍需通过长期实验和临床测试来验证。

总的来说，本文提出了一种基于压电催化的新方法，利用掺杂稀土离子的BTO纳米颗粒，实现了对有机染料和抗生素的高效降解，同时展现出良好的抗菌性能和生物相容性。该研究不仅为水污染治理提供了新的解决方案，也为生物医学领域的应用开辟了新的途径。未来，随着材料科学和环境工程的不断发展，压电催化技术有望成为一种可持续、高效且安全的水处理方法，为解决全球水污染问题做出重要贡献。