纳米材料的水处理器件化方法及其应用基础研究

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1、项目名称：纳米材料的水处理器件化方法及其应用基础研究首席科学家：郭良宏中国科学院生态环境研究中心起止年限：2010.9至2015.9依托部门：中国科学院12二、预期目标1、总体目标针对我国现行水净化工艺中PTS无法去除的难点问题，利用纳米材料高吸附容量和高反应活性等独特性质，探索纳米材料在水污染治理应用中的新方法和新原理，建立具有明确水处理功能的纳米材料和器件的制备方法和性能评价体系，揭示纳米材料的界面过程、构效关系和调控原理，发展用于水中PTS去除、集污染物吸附-降解功能于一体的纳米材料和器件。力争在水污染控制的基础理论和应用两个方面取得具有国际影响的创新

2、成果，为提升我国水污染控制的技术水平和环保产业的国际竞争力做出贡献，促进纳米科学与环境、材料、化学、生物、物理、信息学等多学科的交叉融合发展。通过项目的执行，培养和造就一批高水平的交叉学科人才和几个研究团队。2、五年预期目标（1）方法与原理：建立针对水中持久性有毒污染物去除、吸附-降解功能一体化的纳米材料的制备改性方法，阐明纳米材料的环境界面过程、污染物净化机理和联合毒性机制。（2）技术：发展基于纳米材料的饮用水、污水高效率深度净化处理技术，建立水处理纳米材料的器件化技术。（3）应用：研制饮用水、污水深度净化处理的纳米器件和设备，进行示范性应用试验。（4）成

3、果：在国内外核心刊物发表论文170篇，其中SCI收录论文120篇，包括国际相关领域具有重要影响论文20-30篇，申请国家发明专利20项。（5）人才、队伍培养：促进我国纳米科学与环境、化学、材料、生物、物理等学科的交叉融合，培养80名研究生和博士后，造就一批在纳米环境领域有影响的中青年专家，形成高水平的研究群体。12三、研究方案1、学术思路本申请项目以解决我国饮用水安全和水污染问题为目标，以纳米科学的前沿研究成果为基础，集中国内纳米、环境、化学等学科的优势力量，开展多学科交叉的前沿性研究。以水处理功能纳米材料制备－界面过程－构效关系－PTS高效去除为主线，以具

4、有吸附-降解多重功能的纳米材料与器件为重点，从以下四个层面开展项目的研究：(1)在方法学层面，发展水处理功能纳米材料的合成、表面修饰和功能调控方法，建立水处理纳米器件的设计制备方法。(2)在理论研究层面，阐明吸附/脱附、光诱导电子转移、氧化还原等固/液界面反应机理，污染物净化机制，吸附-氧化还原、吸附-光催化协同机理，纳米材料与水处理性能之间的构效关系，水处理纳米材料与化学污染物联合毒性的分子机制。(3)在水处理应用层面，发展高吸附容量、高降解效率的水处理功能纳米材料，构筑具有吸附-降解多重功能的纳米材料与器件，进行饮用水和污水中PTS净化处理的示范。2、技

5、术途径本项目将重点研究集PTS吸附、降解功能于一体的纳米材料与器件的设计原理、组装技术、示范演示及其生物安全性。根据上述学术思路，项目按照以下技术途径开展工作：第一，针对水中PTS浓度低、难降解的特点，在前期国内外研究工作的基础上，设计、制备、改进各种功能化纳米材料。这部分工作的重点，是针对特定的目标污染物，对现有纳米材料进行结构改造和表面修饰。对于吸附材料，主要采用碳纳米管、介孔碳、核壳结构磁性纳米颗粒等材料，利用多聚糖、海藻酸、核酸等天然物质进行表面修饰，提高纳米吸附材料的吸附容量、吸附强度和吸附选择性。对于纳米催化材料，主要采用碳纳米管、金刚石等导电材

6、料和TiO2、Fe2O3等半导体材料，通过12硅烷化、静电吸附、层层自组装、聚合物包覆等表面修饰手段，增强纳米光电材料的反应活性和反应选择性，提高纳米材料在水中的稳定性和抗环境介质干扰能力。第二，利用表面等离子体共振、电化学石英晶体微天平等实时、现场检测技术，研究第一部分工作制备的各种功能化纳米材料的界面吸附/脱附过程；以各种电化学技术（包括光谱电化学、光电化学）和皮秒级时间分辨荧光等光学技术，研究光诱导电子转移、氧化还原等固/液界面电子转移过程。根据研究获得的界面反应机理信息，重新进行纳米材料的结构改造和表面修饰，进一步提高材料的功能。这部分工作的重点是研

7、究目标污染物的各种界面过程，特别是污染物在实际环境介质中的界面过程，为研究纳米材料的污染净化机制和性能调控方法打下基础。第三，将第二部分研究的功能纳米材料复合化、一体化、器件化，用于水中PTS的治理。利用碳纳米材料吸附能力强、导电性好的特性，制备具有吸附-电化学催化双重功能的大面积碳纳米电极，实现对氯代有机物的电化学还原脱氯分解；制备有序碳纳米管、有序金刚石电极，降低接触电阻，提高电化学反应效率；组装碳纳米材料分离膜，实现污染物的超滤或微滤膜分离与电化学降解一体化；在光活性或非光活性的载体上，均匀分散纳米光催化剂，构建吸附-光催化功能一体化器件，实现氯代有机

8、物的矿化降解；制备碳纳米管-TiO2同轴异质结和碳纳