環(huán)境學院劉文研究員課題組在功能材料應用去除環(huán)境新興有機污染物方面取得系列創(chuàng)新研究成果
發(fā)布時間：2019-11-08新興污染物（藥物及個人護理品、多環(huán)芳烴、內分泌干擾物、全氟類化合物等）的不斷檢出，名錄的逐步擴大，以及環(huán)境健康效應的日益清晰，使其成為備受關注一類污染物。水體中毒害新興有機污染物的去除，既是國際前沿研究熱點，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，包括吸附、光催化和加成高級氧化工藝，可有效實現(xiàn)水體痕量新興有機物污染物的去除，因而具有廣闊的應用前景。
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)境新型有機污染物的功能材料，在材料的合成與設計、環(huán)境應用和理論計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，開發(fā)了系列可高效去除水體中新興有機物的新型環(huán)境材料；探究了污染物在材料上的去除行為及水化學條件的影響；剖析了“污染物-材料”界面反應機理及降解機制。此外，課題組目前正在架構基于密度泛函理論（DFT）計算的有機物活性反應位點和降解途徑解析模式研究方法，并架構環(huán)境有機污染物在不同體系下（氧化/還原）反應活性位點和量子學參數的數據庫。研究工作可推進同領域中關于污染物反應機理提供深度認知，也同時可為國家水體新興污染物環(huán)境修復及管控提供支撐。
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應用于水體中活性藥物去除的最新進展，各技術發(fā)展史和優(yōu)劣性，以及該領域未來的發(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)領域前1%）。該論文同時獲得Environmental Science: Nano期刊“2018年最佳論文獎”。
圖1 Environmental Science: Nano“2018年最佳論文獎”
針對不同類型的環(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。如針對活性藥物中的雙氯芬酸（DCF），開發(fā)了碳量子點負載的氮化碳，此材料可實現(xiàn)可見光下DCF的有效光催化降解；同時該研究深入剖析了光生電子產生和傳遞機理，提出了空穴不參與反應的“類光敏化機理”。該成果于2019年發(fā)表在環(huán)境水處理領域權威期刊Water Research（影響因子7.913）上（Liu et al., Water Res., 2019, 151: 8-19）。針對活性藥物中的磺胺二甲嘧啶（SMT），合成了鈦酸鹽納米管/氮化碳復合光催化劑，實現(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）。針對多環(huán)芳烴中的代表性物質菲（PHE），制備了可漂浮于水面上，以極大促進“材料-自由基-污染物”界面反應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，應用二氧化鈦/鈦酸鹽納米管復合材料，可實現(xiàn)有機物菲和重金屬離子（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指數和前線軌道理論，推進了DFT應用于有機物反應活性位點的理論計算，構建了精確解析不同反應體系（氧化、還原等）中有機物親電、親核反應活性位點的理論體系和數據庫。目前正在為國內外30余個課題組進行該理論計算服務。
圖3 有機物反應活性位點DFT計算
近兩年來劉文研究員課題組涉及新興有機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.
劉文研究員簡介：
劉文，男，1986年生。現(xiàn)北京大學環(huán)境科學與工程學院特聘研究員、博士生導師。北京大學環(huán)境工程系副主任，北京大學環(huán)境納米技術實驗室PI，北京大學環(huán)境工程實驗室無機室主任，北京市工程科學與新興技術高精尖創(chuàng)新中心水污染控制技術部Co-PI。2009年畢業(yè)于南開大學，獲環(huán)境工程學士學位，2014年畢業(yè)于北京大學，獲環(huán)境工程博士學位。2014至2017年間先后在美國奧本大學和佐治亞理工學院從事博士后研究，2017年9月入職北京大學環(huán)境科學與工程學院。主要研究領域包括環(huán)境納米技術，環(huán)境功能材料合成與應用，水環(huán)境化學過程，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)境化學理論計算，水體重金屬污染控制技術與管理集成策略，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)境化學分委會副主任；環(huán)境化學分委會副主任；《工業(yè)水處理》青年編委；Frontiers in Nanotechnology Editorial Board成員；《環(huán)境化學》、《環(huán)境科學學報》特刊編委。國際水協(xié)青年委員會（IWA-YWP）委員，美國化學學會（ACS）、國際水協(xié)（IWA）、國際環(huán)境工程與科學教授協(xié)會（AEESP）會員。
課題組主頁：http://scholar.pku.edu.cn/liuwen
