西南林业大学高伟团队《J Environ Manage》：水气双效——木材表面光催化协同降解甲醛气体和水中有机染料研究

水中有机染料和空气中的甲醛残留物严重影响自然生态和人类生存环境。健康中国已成为旨在全面提高全民健康水平的国家战略，在此背景下，如何有效去除水中的有机染料和空气中的甲醛气体不仅具有重要的学术价值，更已成为迫切的民生需求。

大量研究证实可见光驱动的光催化技术是一种高效、经济和环保的有机污染物降解去除策略。但常见的光催化剂多为粉末状纳米粒子，目前存在稳定性差、难以回收等瓶颈问题。必须找到有效的稳定方法，以提高其在环境修复过程中的实用性。若将木材作为负载光催化剂的基底模板，其能提供更多的活性位点从而改善光吸收并增强自由基物种的转移，更有效地散射和捕捉入射光，促进光子-纳米粒子的相互作用，进而增强光催化效能，同时提高纳米级光催化剂的稳定性和循环使用能力。该项工作是在木材表面喷涂纳米Cu2O改性PF树脂，制备出具有可持续、高效和协同光催化降解有机染料和甲醛气体功能的Cu2O NPs@木材。

图1改性木材的制备流程图、有机染料和甲醛气体实施光催化降解场景

图2显示了木材素材和改性木材径切面的扫描电子显微镜图像和EDX图谱，在杨木和杉木素材上可以清晰地观察到管胞和木射线。因此，由巨大的空隙、沟槽和纹理孔隙形成的木材天然粗糙度为纳米颗粒负载提供更多的位点。对称型四面体形状的Cu2O纳米粒子被成功固定并均匀分布在改性木材表面。有趣的是，在改性杨木表面对称四面体铜颗粒表面衍生出了更小球型的颗粒。因此，纳米铜粒子在改性杨木上形成了分级结构，这可能有助于通过高比表面积提高光催化能力。

图2杨木、杉木素材和杨木、杉木改性材的扫描电镜图像

改性后的阔叶材和针叶材对有机染料都有光催化降解能力，Cu2O NPs@杨木和杉木对MB的光降解效率都在96%以上，Cu2O NPs@杨木对三种有机染料都显示了优良的光降解效果，光催化降解效率在93%以上（图3）。

图3改性木材在可见光照射下对MB的光催化降解效率（MB浓度=6 mg/L，pH=7）（a）；改性杨木对MB、RhB和MG的光催化降解效率（有机染料浓度=6 mg/L，pH=7）（b）；MB（c）；RhB（d）和MG（e）颜色随时间变化

Cu2O NPs@杨木对不同初始浓度的甲醛气体也展现了理想的光催化降解能力，并可在不同相对湿度下均实现对甲醛气体的光降解（图3）。

图4在RH=50%的条件下，Cu2O NPs@poplar对不同初始浓度的甲醛气体的光催化降解、吸附和自降解（a）；相对湿度对20 mg/m3浓度甲醛气体光催化降解效率的影响（b）；甲醛气体的光催化降解循环（c）；用于甲醛气体光催化降解的设备(d)

Cu2O NPs@木材的Eg值明显下降，从而加速产生更多的e-自由基，最终提高了光催化降解能力。Cu2O NPs@木材还实现了对有机污染物的最佳回收能力，其光催化降解MB的效率在100次循环后超过95%，甲醛气体的光催化降解效率在60次循环后超过85%，与其他报道相比，这是迄今为止已发表文献中光催化降解有机污染物循环次数和循环能力最优的实验结果（图4）。

图5改性木材对有机染料和甲醛气体的可能光催化降解机理示意图（a、b）；对MB和甲醛气体的光催化降解能力与其他生物基光催化材料的比较（c）

本研究为制备功能集成、可持续应用的光催化功能木材提供了一种新策略，面对室内甲醛气体和染料水污染物降解具有广阔的应用前景。该工作以“Sustainable, efficient, and synergistic photocatalytic degradation toward organic dyes and formaldehyde gas via Cu2O NPs@wood”为题，发表在《Journal of Environmental Management》（中科院一区Top，IF=8.7）上。高伟教授为论文通讯作者，2021级硕士研究生王玲玲和2022级硕士研究生唐茂捷为论文共同第一作者，其他作者包括材料与化学工程学院硕士研究生姜海秋、戴佳慧、程睿凤以及学院罗蓓副教授、杨龙研究员和杜官本教授。该研究得到了国家自然科学基金（32260360），云南省应用基础研究重点项目（202201AS070027），云南省“兴滇英才”计划青年拔尖人才专项（80201402）的资助。

【通讯作者简介】

高伟教授团队近年来致力于木质先进功能材料基础研究和应用开发，在实木锯材、工程木质复合材料表面超疏水、自清洁、抗紫外、抗老化以及木质油水分离材料、光催化降解有机染料、甲醛和VOCs等木质功能材料领域开展了一系列研究，已在Chem Eng J、ACS Sustain Chem Eng、Appl Surf Sci、Ind Crop Prod、J Environ Manage、Holzforschung、Wood Sci Technol等SCI期刊发表学术论文60余篇，部分研究成果已初步开始在企业转化，培养了多名硕士研究生获得国家留学基金委和国外高水平大学全额奖学金攻读博士学位。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2023.119676

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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