活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　活性炭用于銅離子的檢測和吸附

　　工業化的快速發展給自然環境帶來了嚴重的污染。工業廢水主要排入河流、湖泊，產生大量重金屬。1大多數重金屬難以自然降解，對自然生態系統產生重大影響。銅離子(Cu2+)是一種最常見的重金屬離子，可通過工業和人類活動釋放到環境中。因此，靈敏的檢測方法和高效的吸附材料對于預防和減少Cu2+至關重要。

　　活性炭是一種傳統的吸附材料。檢測環境中的重金屬對于控制重金屬污染也至關重要，檢測方法有紫外可見分光光度法、離子交換色譜法、火焰原子吸收分光光度法等。然而，它們通常需要較高的儀器成本和復雜的檢測操作。因此，金屬離子傳感器平臺近年來備受關注，例如有機分子、納米顆粒和碳點。

　　活性炭對銅離子的吸附能力

　　為了評價活性炭對Cu2+的吸附能力，我們選擇兩種活性炭作為吸附材料。吸附容量計算。如圖1a所示，吸附平衡隨著Cu2+濃度的增加而增加。兩種活性炭均表現出優異的吸附能力，容量分別為50.21和68.06mg/g-1。吸附平衡時間也是評價吸附性能的重要指標，因此考察了吸附動力學過程，如圖1b所示。活性炭在接觸60分鐘后達到平衡，吸附容量為50.58mg/g-1，而活性炭1在接觸30分鐘后達到平衡，吸附容量為59.81mg/g-1。

　　圖1:兩種活性炭對銅離子的(a)等溫吸附和(b)動態吸附。

　　納米活性炭點的熒光選擇性和靈敏檢測

　　納米活性炭點對金屬離子的選擇性至關重要，添加納米活性炭點后檢查金屬離子的熒光強度。當將納米活性炭點添加到空白溶液和含有12種金屬離子的溶液中時，發生熒光發射，如圖2a和b所示。然而，當添加Cu2+時，納米活性炭點的熒光強度明顯下降，熒光強度下降了87.1%，表明發生了明顯的熒光猝滅。隨著Cu2+濃度從10nM增加到80nM，納米活性炭點的熒光強度隨著Cu2+濃度的增加而降低，如圖2c所示。線性相關系數(r)為0.992(圖2d)。檢測限(LOD)計算為3r/S，其中r代表空白信號標準偏差(n=11)，n指對空白樣品進行重復測量的次數，S(指斜率)的線性曲線)。因此，Cu2+的納米活性炭點的LOD計算為2.83nmol/L-1。一些報道的材料可以同時檢測兩種或多種金屬離子。例如，摻雜氮和硫制備的基于羊毛角蛋白的熒光CQD可以檢測Cr6+和Fe3+。相比之下，鴿糞合成的氮硫共摻雜熒光納米活性炭點可以檢測Hg2+和Fe3+。在我們的案例中，納米活性炭點對Cu2+的檢測表現出高選擇性。納米活性炭點的表面有機基團(-COOH和-NH2)具有很強的選擇性與Cu2+結合的能力，導致納米活性炭點聚集，產生較高的猝滅熒光強度，從而導致納米活性炭點的熒光強度猝滅。當Cu2+濃度在10至80nM范圍內時，熒光強度表現出良好的線性相關性，如圖2d所示。

　　圖2：(a)12種金屬離子的納米活性炭點的熒光發射光譜，(b)360nm處的熒光強度，(c)不同濃度Cu2+的熒光發射光譜，(d)Cu2+檢測的線性曲線。

　　淬火原理

　　基于目前的研究，已經提出了幾種理論來解釋納米活性炭點的熒光猝滅現象，包括內過濾效應、電子轉移和能量共振機制。Zeta電位和紫外光譜已被廣泛用于闡明納米活性炭點的猝滅機制。當引入Cu2+后，納米活性炭點溶液的Zeta電位從-24.8mV增加到4.7mV，表明納米活性炭點和Cu2+之間形成了復合物。添加100μmol/L-1銅離子后，納米活性炭點的紫外吸收光譜在220至270nm范圍內發生了顯著變化。意味著納米活性炭點和Cu2+的官能團之間存在配位。因此，可以推斷納米活性炭點和Cu2+之間的電子轉移是熒光猝滅的主要原因。

　　活性炭用于銅離子的檢測和吸附，制備了兩種具有不同性能的碳基材料活性炭和納米活性炭點。用NaOH活化后制備高比表面活性炭，其對Cu2+的吸附容量為68.06mg/g-1。與其他活性炭相比具有高吸附能力。納米活性炭點在436nm處產生藍色發射，對Cu2+檢測具有選擇性，并具有超LOD(2.83nmol/L-1)，因此，制備兩種不同性能的材料用于環境中重金屬的檢測和去除，不僅實現了廢棄材料的資源化利用，而且提供了一種新的思路關于環境保護。

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