长安大学颜录科/晁敏团队《Adv. Funct. Mater.》：基于单组分海藻状g-C?N?的新型多功能光催化分离膜

2023-03-18 来源：高分子科技

膜分离技术因其操作简便、效率高、消耗低、环保等特点，被认为是一种很有前途的废水净化技术。实际的工业和生活废水成分复杂，含有不同类型的油类、有机污染物、重金属残留物、抗生素和细菌等，对分离膜提出了新的挑战。光催化分离膜是一类研究较广的多功能分离膜，在保证油水分离性能的基础上，赋予分离膜污染物降解和抗菌等功能。g-C₃N₄作为制备光催化多功能分离膜的重要构筑单元之一，目前多与其他材料复合来制备分离膜，其多功能性是多种组分的协同作用或异质结的构建来实现，增加了膜制备的复杂性和不可控性，也不利于g-C₃N₄将自身的光催化效果最大化发挥。

长安大学颜录科/晁敏团队仅采用单一海藻状g-C₃N₄材料构建了光催化多功能分离膜。经过水热、微波处理获得了海藻状g-C₃N₄光催化剂，通过真空自组装得到了粗糙度高、比表面积大、孔隙丰富的海藻状g-C₃N₄光催化分离膜（SCN-2），具有优异的综合水净化性能。通过系统研究，SCN-2膜对5种水包油乳液的分离效果优异，最大油水分离通量为3114.0 ± 113.0 L m^-2 h^-1 bar^-1，最高分离效率为97.4 ± 0.1%；此外，具有大比表面积和窄带隙的海藻状g-C₃N₄具有优异的可见光吸收特性和加速的e^--h⁺对传输速率，赋予了SCN-2膜优异的光催化降解和抗菌性能。其中对有机染料罗丹明B（RhB）、亚甲基蓝（MB）和结晶紫（CV）的光催化降解效果可达100%；同时，SCN-2膜对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌的抗菌效率可达100%。此外，SCN-2膜在35次分离循环和10次降解循环后仍能保持稳定的效率，具有长期使用潜力。这项工作提供了单一材料实现多功能光催化分离膜的构建策略。

以水包氯仿（C/W）乳液作为典型水包油乳液评估了不同膜的油水分离能力。SCN-2膜呈现出最佳的油水分离性能，分离通量为368.6 ± 7.5 L m^-2 h^-1 bar^-1，效率为97.4 ± 0.1%（图2a）。动态光散射测量（DLS）和偏光显微镜测试进一步证实了SCN-2膜优异的分离效果（图2b-2c）。同时，SCN-2膜对水包四氯甲烷（Tm/W）乳液、水包二氯甲烷（Dm/W）乳液、水包甲苯（T/W）乳液和水包1, 2-二氯乙烷（Dc/W）乳液也有良好的分离效果，效率分别为86.8 ± 2.3%、94.3 ± 0.1%、92.5 ± 0.3%和93.0 ± 1.1%（图2d）。此外，在连续分离35次C/W乳液后，SCN-2膜的油水分离通量仍然超过300 L m^-2 h^-1 bar^-1，效率保持在93.2%以上（图2e-2f），表明SCN-2膜具有稳定的分离能力，可用于实际废水的长期净化过程。

图1 用于水净化的海藻状g-C₃N₄膜的制备过程示意图

图2 (a) 不同膜对C/W乳液的分离通量和效率；(b) SCN-2膜分离C/W乳液前后的DLS和(c)显微镜图像（插图为照片）；(d) SCN-2膜对各种乳液的分离能力；SCN-2膜对C/W乳剂的循环分离(e)通量和(f)效率

通过紫外-可见漫反射光谱对比了不同膜的光学特性（图3a），与块体g-C₃N₄制备的BCN膜相比，SCN-2膜的吸收边移动至460 nm，表明海藻状g-C₃N₄光催化剂有效提高了对可见光的利用，同时，SCN-2膜的带隙也从2.6 eV降低到2.52 eV，有利于提高光催化活性。以有机染料罗丹明B（RhB）为例对比不同膜的光催化活性，SCN-2膜对RhB的光催化效率高达100 %，并且拥有最大反应速率常数（K = 0.066 ± 0.0015 min^-1），约为BCN膜（0.002 ± 0.0002 min^-1）的33倍（图3c）。紫外可见光谱中最大吸收峰的偏移和下降进一步验证了SCN-2膜的优异的光催化效果（图3d）。如图3e，在连续10次降解实验后，SCN-2膜对RhB的降解效率仍超过98.38 ± 0.01%，说明SCN-2膜具有良好的光催化稳定性。此外，SCN-2膜对废水中其他常见的污染物也具有优异的降解效果（图3f），对亚甲基蓝（MB）、结晶紫（CV）、苋菜红（E123）、氨基黑10B（AB）、中性红（NR）、四环素（TC）、Cr(VI)的降解效率分别达到99.38 ± 0.24%、98.82 ± 1.19%、88.89 ± 1.03%、91.40 ± 0.49%、90.74 ± 1.09%、84.94 ± 1.47%和82.09 ± 3.10%。

图3 (a)BCN膜和SCN-2膜的紫外-可见漫反射光谱，插图为(Ahν)^1/2与hν的关系图；(b)不同膜在模拟阳光下对RhB的催化降解活性和对应的(c)速率常数；(d) BCN膜和SCN-2膜降解RhB的紫外-可见吸收光谱；(e) SCN-2膜对RhB的循环光催化降解结果；(f) SCN-2膜对MB、CV、E123、AB、NR、TC和Cr(VI)的光催化降解性能

此外，有效去除细菌的能力也是当今多功能分离膜的一个重要条件。由于可见光吸收有限，BCN膜对大肠杆菌（E. coli）的抗菌效率只有45.13 ± 1.7%（图4a）。增强的可见光的吸收能力赋予了SCN-2膜最佳抗菌活性，在可见光照射3小时后可以灭活99.95 ± 0.1%的大肠杆菌和99.27 ± 0.7%的金黄色葡萄球菌（图4b-4d）。

图4 不同膜对大肠杆菌的(a)光催化抗菌效果照片和(b)光催化抗菌效率；(c) SCN-2膜对金黄色葡萄球菌的光催化抗菌效果照片；(d)SCN-2膜的光催化抗菌效率

该工作以“A Novel Multifunctional Photocatalytic Separation Membrane Based on Single-Component Seaweed-Like g-C₃N₄”为题发表在《Advanced Functional Materials》上。长安大学2020级硕士研究生李柳新、骆春佳副教授为共同一作，长安大学颜录科教授、晁敏副教授为共同通讯作者。该研究工作得到陕西省重点研发计划、国家自然科学基金与长安大学中央高校项目等的支持。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202213974

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（责任编辑：xu）

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