環(huán)境學(xué)院劉文研究員課題組在功能材料應(yīng)用去除環(huán)境新興有機(jī)污染物方面取得系列創(chuàng)新研究成果
發(fā)布時(shí)間：2019-11-08新興污染物（藥物及個(gè)人護(hù)理品、多環(huán)芳烴、內(nèi)分泌干擾物、全氟類化合物等）的不斷檢出，名錄的逐步擴(kuò)大，以及環(huán)境健康效應(yīng)的日益清晰，使其成為備受關(guān)注一類污染物。水體中毒害新興有機(jī)污染物的去除，既是國際前沿研究熱點(diǎn)，也是我國水處理面臨的重大挑戰(zhàn)。目前傳統(tǒng)污水處理工藝對(duì)該類污染物的去除不甚理想，因而尋求高效低成本的新技術(shù)和新工藝是新一代污水處理廠亟需解決的瓶頸問題。以環(huán)境功能材料為核心的技術(shù)，包括吸附、光催化和加成高級(jí)氧化工藝，可有效實(shí)現(xiàn)水體痕量新興有機(jī)物污染物的去除，因而具有廣闊的應(yīng)用前景。
近兩年來，我院劉文研究員課題組開發(fā)了系列可有效去除環(huán)境新型有機(jī)污染物的功能材料，在材料的合成與設(shè)計(jì)、環(huán)境應(yīng)用和理論計(jì)算方面取得了體系化的研究成果。課題組主要以兩類典型鈦系納米材料（二氧化鈦與鈦酸鹽納米材料）為基礎(chǔ)，開發(fā)了系列可高效去除水體中新興有機(jī)物的新型環(huán)境材料；探究了污染物在材料上的去除行為及水化學(xué)條件的影響；剖析了“污染物-材料”界面反應(yīng)機(jī)理及降解機(jī)制。此外，課題組目前正在架構(gòu)基于密度泛函理論（DFT）計(jì)算的有機(jī)物活性反應(yīng)位點(diǎn)和降解途徑解析模式研究方法，并架構(gòu)環(huán)境有機(jī)污染物在不同體系下（氧化/還原）反應(yīng)活性位點(diǎn)和量子學(xué)參數(shù)的數(shù)據(jù)庫。研究工作可推進(jìn)同領(lǐng)域中關(guān)于污染物反應(yīng)機(jī)理提供深度認(rèn)知，也同時(shí)可為國家水體新興污染物環(huán)境修復(fù)及管控提供支撐。
其中，2018年劉文研究員以共同通訊作者身份在Environmental Science: Nano（影響因子7.704）發(fā)表了題為“Application of nanotechnologies for removing pharmaceutically active compounds from water: development and future trends”（Cai et al., Environ. Sci. Nano, 2018, 5: 27-47）的綜述論文。該論文全面綜述了納米技術(shù)應(yīng)用于水體中活性藥物去除的最新進(jìn)展，各技術(shù)發(fā)展史和優(yōu)劣性，以及該領(lǐng)域未來的發(fā)展方向等。迄今為止，該論文被引用53次，入選ESI高被引論文（環(huán)境/生態(tài)領(lǐng)域前1%）。該論文同時(shí)獲得Environmental Science: Nano期刊“2018年最佳論文獎(jiǎng)”。
圖1 Environmental Science: Nano“2018年最佳論文獎(jiǎng)”
針對(duì)不同類型的環(huán)境污染物，劉文研究員課題組定向開發(fā)了多種功能材料。如針對(duì)活性藥物中的雙氯芬酸（DCF），開發(fā)了碳量子點(diǎn)負(fù)載的氮化碳，此材料可實(shí)現(xiàn)可見光下DCF的有效光催化降解；同時(shí)該研究深入剖析了光生電子產(chǎn)生和傳遞機(jī)理，提出了空穴不參與反應(yīng)的“類光敏化機(jī)理”。該成果于2019年發(fā)表在環(huán)境水處理領(lǐng)域權(quán)威期刊Water Research（影響因子7.913）上（Liu et al., Water Res., 2019, 151: 8-19）。針對(duì)活性藥物中的磺胺二甲嘧啶（SMT），合成了鈦酸鹽納米管/氮化碳復(fù)合光催化劑，實(shí)現(xiàn)了SMT在太陽光下的高效降解，并清楚解析了“銳鈦礦-金紅石-鈦酸鹽”表面的光生電子傳遞鏈機(jī)理。該成果近期發(fā)表在Applied Catalysis B: Environmental（影響因子14.229）上（Ji et al., Appl. Catal. B, 2019, DOI: doi.org/10.1016/j.apcatb.2019.118357）。針對(duì)多環(huán)芳烴中的代表性物質(zhì)菲（PHE），制備了可漂浮于水面上，以極大促進(jìn)“材料-自由基-污染物”界面反應(yīng)的二氧化硅氣溶膠支持型材料，該成果發(fā)表于2019年發(fā)表在Water Research上（Cai et al., Water Res., 2019, 162: 369-382）。同時(shí)，應(yīng)用二氧化鈦/鈦酸鹽納米管復(fù)合材料，可實(shí)現(xiàn)有機(jī)物菲和重金屬離子（Cu2+）的同步高效去除；該成果發(fā)表于2019年發(fā)表在Chemical Engineering Journal（影響因子8.355）上（Cheng et al., Chem. Eng. J., 2019, 358: 1155-1165）。
圖2 功能材料光催化降解DCF示意圖
此外，劉文研究員課題組基于Fukui指數(shù)和前線軌道理論，推進(jìn)了DFT應(yīng)用于有機(jī)物反應(yīng)活性位點(diǎn)的理論計(jì)算，構(gòu)建了精確解析不同反應(yīng)體系（氧化、還原等）中有機(jī)物親電、親核反應(yīng)活性位點(diǎn)的理論體系和數(shù)據(jù)庫。目前正在為國內(nèi)外30余個(gè)課題組進(jìn)行該理論計(jì)算服務(wù)。
圖3 有機(jī)物反應(yīng)活性位點(diǎn)DFT計(jì)算
近兩年來劉文研究員課題組涉及新興有機(jī)物污染物去除系列研究成果：
- Ji, H., Du, P., Zhao, D., Li, S., Sun, F., Duin, E.C., Liu, W*. 2D/1D graphitic carbon nitride/titanate nanotubes heterostructure for efficient photocatalysis of sulfamethazine under solar light: Catalytic “hot spots” at the rutile-anatase-titanate interfaces. Applied Catalysis B: Environmental, 2019. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2019.118357.
- Cai, Z., Hao, X., Sun, X., Du, P., Liu, W.*, & Fu, J*. Highly active WO3@ anatase-SiO2 aerogel for solar-light-driven phenanthrene degradation: Mechanism insight and toxicity assessment. Water Research, 2019, 162, 369-382.
- Liu, W., Zhang, W., Liu, M., Du, P., Dang, C., Liang, J.*, & Li, Y*. Fabrication of niobium doped titanate nanoflakes with enhanced visible-light-driven photocatalytic activity for efficient ibuprofen degradation. Chinese Chemical Letters, 2019, https://doi.org/10.1016/j.cclet.2019.07.050.
- Xu, X., Liu, Y., Wang, T.*, Ji, H., Chen, L., Li, S., & Liu, W*. Co-adsorption of ciprofloxacin and Cu(II) onto titanate nanotubes: Speciation variation and metal-organic complexation. Journal of Molecular Liquids, 2019, 292, 111375.
- Liu, X., Ji, H., Li, S., & Liu, W*. Graphene modified anatase/titanate nanosheets with enhanced photocatalytic activity for efficient degradation of sulfamethazine under simulated solar light. Chemosphere, 2019, 233, 198-206.
- Chen, Q., Chen, L., Qi, J., Tong, Y., Lv, Y., Xu, C., Ni, J., & Liu, W*. Photocatalytic degradation of amoxicillin by carbon quantum dots modified K2Ti6O13 nanotubes: Effect of light wavelength. Chinese Chemical Letters, 2019, 30, 1214-1218.
- Liu, W., Li, Y., Liu, F., Jiang, W., Zhang, D., & Liang, J*. Visible-light-driven photocatalytic degradation of diclofenac by carbon quantum dots modified porous g-C3N4: Mechanisms, degradation pathway and DFT calculation. Water Research, 2019, 151, 8-19.
- Liu, F., Liang, J., Chen, L., Tong, M.*, & Liu, W*. Photocatalytic removal of diclofenac by Ti doped BiOI microspheres under visible light irradiation: Kinetics, mechanism, and pathways. Journal of Molecular Liquids, 2019, 275, 807-814.
- Cheng, K., Cai, Z.*, Fu, J., Sun, X., Sun, W., Chen, L., Zhang, D., & Liu, W*. Synergistic adsorption of Cu(II) and photocatalytic degradation of phenanthrene by a jaboticaba-like TiO2/titanate nanotube composite: An experimental and theoretical study. Chemical Engineering Journal, 2019, 358, 1155-1165.
- Wang, Q., Lei, X., Pan, F.*, Xia, D., Shang, Y., Sun, W., & Liu, W*. A new type of activated carbon fibre supported titanate nanotubes for high-capacity adsorption and degradation of methylene blue. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 2018, 555, 605-614.
- Ji, H., Gong, Y., Duan, J., Zhao, D*., & Liu, W*. Degradation of petroleum hydrocarbons in seawater by simulated surface-level atmospheric ozone: Reaction kinetics and effect of oil dispersant. Marine Pollution Bulletin, 2018, 135, 427-440.
- Du, P., Chang, J., Zhao, H., Liu, W.*, Dang, C., Tong, M., Ni, J., Zhang, B*. Sea-buckthorn-like MnO2 decorated titanate nanotubes with oxidation property and photocatalytic activity for enhanced degradation of 17β-estradiol under solar light. ACS Applied Energy Materials, 2018, 1, 2123-2133.
- Zhao, X., Du, P., Cai, Z., Wang, T., Fu, J.*, & Liu, W*. Photocatalysis of bisphenol A by an easy-settling titania/titanate composite: Effects of water chemistry factors, degradation pathway and theoretical calculation. Environmental Pollution, 2018, 232, 580-590.
- Cai, Z., Fu, J., Du, P., Zhao, X., Hao, X., Liu, W.*, & Zhao, D*. Reduction of nitrobenzene in aqueous and soil phases using carboxymethyl cellulose stabilized zero-valent iron nanoparticles. Chemical Engineering Journal, 2018, 332, 227-236.
- Li, F., Du, P., Liu, W.*, Li, X., Ji, H., Duan, J., & Zhao, D*. Hydrothermal synthesis of graphene grafted titania/titanate nanosheets for photocatalytic degradation of 4-chlorophenol: Solar-light-driven photocatalytic activity and computational chemistry analysis. Chemical Engineering Journal, 2018, 331, 658-694.
- Cai, Z., Dwivedi, A. D., Lee, W. N., Zhao, X., Liu, W.*, Sillanpää, M., Zhao, D., Huang C.H., & Fu, J*. (2018). Application of nanotechnologies for removing pharmaceutically active compounds in water: Development and future trends. Environmental Science: Nano, 2018, 5, 27-47.
劉文研究員簡(jiǎn)介：
劉文，男，1986年生�，F(xiàn)北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院特聘研究員、博士生導(dǎo)師。北京大學(xué)環(huán)境工程系副主任，北京大學(xué)環(huán)境納米技術(shù)實(shí)驗(yàn)室PI，北京大學(xué)環(huán)境工程實(shí)驗(yàn)室無機(jī)室主任，北京市工程科學(xué)與新興技術(shù)高精尖創(chuàng)新中心水污染控制技術(shù)部Co-PI。2009年畢業(yè)于南開大學(xué)，獲環(huán)境工程學(xué)士學(xué)位，2014年畢業(yè)于北京大學(xué)，獲環(huán)境工程博士學(xué)位。2014至2017年間先后在美國奧本大學(xué)和佐治亞理工學(xué)院從事博士后研究，2017年9月入職北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院。主要研究領(lǐng)域包括環(huán)境納米技術(shù)，環(huán)境功能材料合成與應(yīng)用，水環(huán)境化學(xué)過程，納米材料在環(huán)境中遷移、歸趨與毒理，工業(yè)廢水和地下水處理，環(huán)境化學(xué)理論計(jì)算，水體重金屬污染控制技術(shù)與管理集成策略，國家重要流域重金屬污染控制戰(zhàn)略研究等。目前在國內(nèi)外期刊上發(fā)表論文100余篇，其中SCI收錄80余篇，包括了以第一/通訊作者在環(huán)境和材料領(lǐng)域主流期刊Environmental Science & Technology、Water Research、Applied Catalysis B: Environmental、Journal of Materials Chemistry A、ACS Applied Materials & Interfaces等上發(fā)表的論文等。Elsevier旗下期刊Chinese Chemical Letters（CCL，SCI期刊源）編輯，環(huán)境化學(xué)分委會(huì)副主任；環(huán)境化學(xué)分委會(huì)副主任；《工業(yè)水處理》青年編委；Frontiers in Nanotechnology Editorial Board成員；《環(huán)境化學(xué)》、《環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)》特刊編委。國際水協(xié)青年委員會(huì)（IWA-YWP）委員，美國化學(xué)學(xué)會(huì)（ACS）、國際水協(xié)（IWA）、國際環(huán)境工程與科學(xué)教授協(xié)會(huì)（AEESP）會(huì)員。
課題組主頁：http://scholar.pku.edu.cn/liuwen
