三聚氰胺海綿上長出水體抗生素「解藥」:降解率90%以上

團隊製備的新型COF復合海綿,有效克服了一般COF粉末難以回收利用的問題,在可見光下對四環素類抗生素表現出優異的光催化活性,其對四環素類抗生素的降解率達到90%以上。

水資源作為生態環境的一個重要組成部分,其保護和改善已經成為當前社會的一個重要課題。這其中,抗生素的廣泛使用甚至濫用,造成越來越嚴重的水體有機物污染,引起了社會的極大關注。研究表明,光催化降解是解決此類污染的有效途徑之一,而設計開發出一種光催化劑並使其可高效降解水體抗生素,成為國內外多個科研團隊的研究熱點。

海南大學化學工程與技術學院副院長潘勤鶴和楊瑋婷教授團隊受三聚氰胺海綿的啟發,研發出可降解水中抗生素的晶態有機多孔聚合物(COF)復合海綿。該研究為製備具有高降解性能、易循環和高穩定性的基於共價鍵連接的COF提供了一種簡單的策略,並為其他整體催化材料的製備提供了參考。相關論文近日發表在化工領域國際學術期刊《化學工程雜誌》上。

三聚氰胺海綿帶來的靈感

潘勤鶴向科技日報記者介紹,COF作為一類新型的多孔結晶聚合物,通過強共價鍵與有機單元巧妙地構建而成。得益於獨特的多孔結構、高比表面積、孔隙率和化學可調性,COF被廣泛應用於多個領域。由於具有有序、可擴展的π共軛骨架和結構穩定性,COF在光催化應用中顯示出巨大潛力,並被用於降解抗生素。但是COF多為粉末狀態,較差的可回收性限制了其在實際環境中的應用。

為了使材料兼具功能使用性、便利性和實際應用性,潘勤鶴團隊在大量前期實驗的基礎上,深入對各種不同的基體和COF材料進行了分析篩選。

「三聚氰胺海綿有著低成本、大孔隙率和環境友好等優點,被廣泛地應用,是一種非常好的載體。」潘勤鶴介紹,在探索過程中,他們反覆思考,COF-TpTt是一種由三聚氰胺和三醛基間苯三酚形成的COF,該材料本身就有著非常出色的光催化性能。如果讓COF-TpTt附著在三聚氰胺載體上,是否就能兼顧降解抗生素的光催化性能以及良好的可回收性呢?

巧妙採用「反應接種」策略

最終該團隊利用「反應接種」策略實現了COF-TpTt在三聚氰胺海綿表面爆發性成核、均勻牢固的生長。「反應接種」是指載體上包含COF-TpTt生長所需的功能基團,從而能提供COF-TpTt生長的「種子」,讓COF-TpTt在載體上附著得更加牢固。該策略滿足了晶體合成爆發性成核的條件,從而使在三聚氰胺海綿上合成的COF-TpTt粒徑縮小。縮小的粒徑使COF-TpTt的比表面積增大,從而暴露出更多的催化活性位點,因此也增強了其催化降解效果。而且該策略中載體也是合成COF的原材料,因此所合成的復合材料有著很高的穩定性,這就使得其循環使用性能大大提升。

最終,團隊通過「反應接種」策略,採用一鍋法成功製備了一種新型COF復合海綿。

潘勤鶴表示,該復合海綿有效克服了一般COF粉末難以回收利用的問題,可在保證降解效果的情況下進行10輪以上的循環實驗,在可見光下對四環素類抗生素表現出優異的光催化活性,其對四環素類抗生素的降解率均在90%以上。

《化學工程雜誌》審稿人評價道,這種合成方法不僅簡單,而且賦予復合海綿良好的穩定性和更強的光催化性能。合成細節和表徵部分充分驗證了該方法的有效性。這一研究提出了一種有前景的方法來解決COF可回收性差的問題。

(原標題:讓三聚氰胺海綿上長出水體抗生素「解藥」)

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