棉生物质炭支持的等离子体nZVAg-TiO?纳米复合材料用于增强可见光驱动的环丙沙星光催化降解：合成、表征及性能评估

《Innovative Food Science & Emerging Technologies》：Gossypium biochar supported plasmonic nZVAg-TiO 2 nanocomposite for enhanced visible-light-driven photocatalytic degradation of ciprofloxacin: synthesis, characterization, and performance evaluation

　　本研究通过机械化学辅助加热合成MIL-100(Cr)，并与印尼Klaten产活性天然沸石（ANZ）复合，探究不同ANZ含量（10%-95%）对复合材料结构及CO?吸附性能的影响。表征显示复合结构稳定，吸附实验表明50% ANZ时吸附量达14.93 mmol/g，动力学符合Avrami模型，热力学证实吸附为放热过程。

　　本研究聚焦于开发一种新型的复合材料，以提高二氧化碳（CO?）的吸附性能。随着全球人口增长和工业活动的不断扩展，温室气体排放量逐年上升，其中CO?作为主要的温室气体之一，其排放量的增加对全球变暖和气候变化产生了深远的影响。根据国际能源署（IEA）的数据，2021年全球CO?排放量达到了363亿吨，相较于前一年增长了6%。这一趋势不仅加剧了环境污染，还对人类健康构成了严重威胁。因此，探索有效的CO?减排策略变得尤为重要，而碳捕集与封存（CCS）技术被视为一种具有前景的解决方案。

在众多CCS技术中，吸附法因其高效性和可持续性而受到广泛关注。金属有机框架（MOFs）因其高比表面积、良好的结晶性以及丰富的活性位点而成为CO?吸附的理想材料。特别是MIL-100(Cr)这类MOFs，具有超过1716 m2/g的比表面积，并拥有适用于CO?吸附的介孔和微孔结构。此外，MIL-100(Cr)中的Cr(III)活性位点能够通过物理相互作用促进CO?的吸附。然而，尽管MIL-100(Cr)本身具备优良的吸附性能，其吸附能力仍可通过与其他材料复合来进一步提升。

本研究选择将MIL-100(Cr)与来源于印度尼西亚中爪哇省Klaten地区的天然沸石（Natural Zeolite, NZ）进行复合，制备出一种含有活化天然沸石（Activated Natural Zeolite, ANZ）的复合材料。天然沸石因其独特的晶体结构、高比表面积、良好的CO?亲和力以及成本效益而备受关注。通过活化处理，如脱铝和离子交换，天然沸石能够被转化为具有更高吸附性能的ANZ。研究发现，通过NaOH活化的钠交换天然沸石在CO?吸附方面表现出显著的增强效果，其吸附容量从0.38 mmol/g提升至1.165 mmol/g。此外，将天然沸石进行胺基修饰，能够引入更多的活性位点，从而进一步提高其对CO?的吸附能力。

本研究采用了一种非原位超声波合成方法，将不同比例的ANZ（从10%到95%）与MIL-100(Cr)进行复合。实验结果显示，ANZ的引入不仅没有改变复合材料的形态结构，还显著提升了其表面特性。X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析表明，复合材料中保留了MIL-100(Cr)的特征峰，包括Cr-O振动带（665 cm?1），同时也检测到了ANZ中的N-H（1402 cm?1）和Si-O（1052 cm?1）振动带。这些结果验证了MIL-100(Cr)与ANZ在复合材料中的成功结合。扫描电子显微镜（SEM）图像进一步表明，ANZ的添加并未破坏MIL-100(Cr)的原有结构，而能有效维持其形态特征。能谱分析（EDS）也证实了ANZ中Si和Al原子的存在，说明其成功整合进复合材料中。

为了评估复合材料的CO?吸附性能，本研究采用了滴定法。实验结果表明，当ANZ含量为50%时，复合材料的CO?吸附容量达到了14.93 mmol/g，显著高于纯MIL-100(Cr)的吸附容量。这一发现表明，通过引入ANZ，能够有效增强MIL-100(Cr)的吸附能力。此外，动力学研究表明，该复合材料的吸附过程与Avrami模型高度相关，表明其吸附行为具有一定的规律性。热力学分析则揭示了吸附过程为放热反应，随着温度的降低，CO?的吸附量显著增加，这进一步验证了该材料在低温条件下的优越吸附性能。

本研究的意义在于探索了一种新型的MOFs与天然沸石复合材料的制备方法，并验证了其在CO?吸附中的应用潜力。通过结合MIL-100(Cr)的高比表面积和ANZ的吸附能力，该复合材料不仅在吸附容量上表现出色，还具备良好的热稳定性和结构完整性。这些特性使其在实际的CO?捕集和储存应用中具有较高的可行性。此外，本研究还为未来开发更高效的CO?吸附材料提供了理论依据和技术支持。

在实验过程中，研究团队使用了多种材料和试剂。所有化学品均为分析纯，无需进一步纯化。CrCl?·6H?O和H?BTC是合成MIL-100(Cr)的主要原料，分别从Sigma-Aldrich（德国）购得。天然沸石则来源于印度尼西亚中爪哇省Klaten市的Wonosari地区。实验中还使用了乙醇（96%）、盐酸（HCl，37%）、氢氧化钠（NaOH，≥98%）和氯化铵（NH?Cl，≥98%）等试剂，均为Merck（德国）的产品。此外，实验过程中还使用了超纯水和其他辅助材料，以确保实验的准确性和可靠性。

为了全面评估复合材料的结构和性能，研究团队对其进行了多种表征分析。XRD图谱显示，合成的MIL-100(Cr)和ANZ/MIL-100(Cr)复合材料的特征峰与标准模式（CCDC No. 640536）一致，表明其成功合成。ANZ的XRD图谱则显示出其特征峰的组合，进一步验证了其结构的完整性。FT-IR分析揭示了复合材料中MIL-100(Cr)和ANZ的化学键特征，为材料的结构分析提供了重要依据。SEM图像则展示了复合材料的表面形貌，证明了ANZ的引入并未改变其原有的微观结构。EDS光谱进一步确认了ANZ中Si和Al元素的存在，表明其成功整合进复合材料中。

在CO?吸附性能测试方面，研究团队采用了滴定法，该方法基于Lestari等人的研究进行改进。尽管体积法、重量法和穿透法等传统方法在CO?吸附研究中被广泛使用，但滴定法在动态流条件下提供了一种简便且可靠的选择。实验结果显示，ANZ/MIL-100(Cr)复合材料在50% ANZ含量时表现出最佳的CO?吸附性能，其吸附容量达到了14.93 mmol/g，远高于纯MIL-100(Cr)的吸附容量。这一结果表明，ANZ的引入能够有效提升MIL-100(Cr)的吸附能力，使其在实际应用中更具优势。

吸附动力学研究进一步揭示了复合材料的吸附行为。实验结果表明，该复合材料的吸附过程符合Avrami模型，这表明其吸附行为具有一定的规律性。Avrami模型通常用于描述固态反应的动力学过程，其适用性表明复合材料的吸附过程可能涉及多步骤的反应机制。此外，热力学分析表明，该复合材料的CO?吸附过程为放热反应，吸附量随着温度的降低而增加。这一结果表明，该材料在低温环境下具有更高的吸附效率，为其在实际应用中的选择提供了重要依据。

综上所述，本研究通过将MIL-100(Cr)与活化天然沸石进行复合，成功制备了一种新型的CO?吸附材料。该材料在结构和性能上均表现出优异的特性，其吸附容量显著高于纯MIL-100(Cr)。此外，该复合材料在动态流条件下的吸附性能得到了验证，其吸附过程符合Avrami模型，并且具有放热特性。这些发现不仅为CO?捕集技术提供了新的思路，也为未来开发高效、环保的CO?吸附材料奠定了基础。

本研究的创新点在于探索了MIL-100(Cr)与天然沸石的复合可能性，并验证了其在CO?吸附中的应用潜力。目前，关于MIL-100(Cr)与天然沸石复合材料的研究仍较为有限，大多数相关研究集中在胺基修饰的MIL-100(Cr)和碳复合材料上。因此，本研究为这一领域填补了空白，提供了新的材料设计思路。此外，本研究采用的非原位超声波合成方法具有一定的可行性，为后续的材料优化和规模化生产提供了技术支持。

在实际应用中，该复合材料可以用于工业废气处理、天然气净化以及碳捕集与封存（CCS）等场景。其高吸附容量和良好的热稳定性使其在高温环境下仍能保持较高的吸附效率，而其放热特性则表明其在低温条件下的吸附性能更为优越。这些特性使得该材料在不同环境条件下均具有较强的适应性，能够满足多样化的CO?捕集需求。此外，天然沸石的来源广泛且成本较低，使其在大规模应用中具有较高的经济可行性。

本研究的结果也为进一步优化复合材料的性能提供了方向。例如，可以通过调整ANZ的含量、改变活化方法或引入其他功能基团来进一步提升其吸附能力。此外，研究团队还可以探索该复合材料在其他气体吸附中的应用潜力，如氮气、氧气等，以拓展其应用范围。未来的研究还可以关注该材料在实际工业环境中的应用效果，包括其在不同气体浓度、湿度和温度条件下的表现，以确保其在实际应用中的稳定性和可靠性。

本研究的完成离不开研究团队的共同努力。Dendy Dendy负责原始论文的撰写、可视化、实验方法设计、数据分析和数据管理。Witri Wahyu Lestari则负责论文的审阅与编辑、验证实验结果、监督整个研究过程、提供研究资源、管理项目、设计实验方法和数据管理。Yuni K. Krisnandi同样参与了论文的审阅与编辑、实验结果的验证以及研究的监督工作。三位研究者在各自的职责范围内贡献了重要的研究成果，确保了本研究的顺利进行和最终成果的产出。

本研究并未涉及任何可能影响其科学性和客观性的竞争性利益关系。研究团队声明，他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本研究的成果。这一声明保证了研究的独立性和公正性，为读者提供了可信的研究结果。此外，本研究得到了印度尼西亚共和国教育部、文化、研究与技术部（Kemendikbud RI）的支持，通过BIMA—硕士论文研究计划（PTM）资助，项目编号为1280.1/UN27.22/PT.01.03/2023。Dendy还获得了Universitas Sebelas Maret（UNS）的硕士奖学金，这为研究的顺利进行提供了重要的经济支持。

通过本研究，我们不仅开发了一种新型的CO?吸附材料，还验证了其在不同条件下的吸附性能。该材料的高吸附容量和良好的热稳定性使其在实际应用中具有较大的潜力。同时，研究结果也为未来开发更高效的CO?吸附材料提供了理论支持和技术借鉴。随着全球对碳减排需求的不断增长，该材料的应用前景将更加广阔。我们期待在未来的研究中，进一步优化该复合材料的性能，并探索其在更广泛环境中的应用价值。