活性炭用于銅離子的檢測和吸附

　　工業(yè)化的快速發(fā)展給自然環(huán)境帶來了嚴(yán)重的污染。工業(yè)廢水主要排入河流、湖泊，產(chǎn)生大量重金屬。1大多數(shù)重金屬難以自然降解，對自然生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)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(yè)和人類活動釋放到環(huán)境中。因此，靈敏的檢測方法和高效的吸附材料對于預(yù)防和減少Cu2+至關(guān)重要。

　　活性炭是一種傳統(tǒng)的吸附材料。檢測環(huán)境中的重金屬對于控制重金屬污染也至關(guān)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(fù)雜的檢測操作。因此，金屬離子傳感器平臺近年來備受關(guān)注，例如有機(jī)分子、納米顆粒和碳點(diǎn)。

　　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(jì)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(xiàn)出優(yōu)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(biāo)，因此考察了吸附動力學(xué)過程，如圖1b所示。活性炭在接觸60分鐘后達(dá)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(dá)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(tài)吸附。

　　納米活性炭點(diǎn)的熒光選擇性和靈敏檢測

　　納米活性炭點(diǎn)對金屬離子的選擇性至關(guān)重要，添加納米活性炭點(diǎn)后檢查金屬離子的熒光強(qiáng)度。當(dāng)將納米活性炭點(diǎn)添加到空白溶液和含有12種金屬離子的溶液中時，發(fā)生熒光發(fā)射，如圖2a和b所示。然而，當(dāng)添加Cu2+時，納米活性炭點(diǎn)的熒光強(qiáng)度明顯下降，熒光強(qiáng)度下降了87.1%，表明發(fā)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(diǎn)的熒光強(qiáng)度隨著Cu2+濃度的增加而降低，如圖2c所示。線性相關(guān)系數(shù)(r)為0.992(圖2d)。檢測限(LOD)計(jì)算為3r/S，其中r代表空白信號標(biāo)準(zhǔn)偏差(n=11)，n指對空白樣品進(jìn)行重復(fù)測量的次數(shù)，S(指斜率)的線性曲線)。因此，Cu2+的納米活性炭點(diǎn)的LOD計(jì)算為2.83nmol/L-1。一些報(bào)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(diǎn)可以檢測Hg2+和Fe3+。在我們的案例中，納米活性炭點(diǎn)對Cu2+的檢測表現(xiàn)出高選擇性。納米活性炭點(diǎn)的表面有機(jī)基團(tuán)(-COOH和-NH2)具有很強(qiáng)的選擇性與Cu2+結(jié)合的能力，導(dǎo)致納米活性炭點(diǎn)聚集，產(chǎn)生較高的猝滅熒光強(qiáng)度，從而導(dǎo)致納米活性炭點(diǎn)的熒光強(qiáng)度猝滅。當(dāng)Cu2+濃度在10至80nM范圍內(nèi)時，熒光強(qiáng)度表現(xiàn)出良好的線性相關(guān)性，如圖2d所示。

　　圖2：(a)12種金屬離子的納米活性炭點(diǎn)的熒光發(fā)射光譜，(b)360nm處的熒光強(qiáng)度，(c)不同濃度Cu2+的熒光發(fā)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(jīng)提出了幾種理論來解釋納米活性炭點(diǎn)的熒光猝滅現(xiàn)象，包括內(nèi)過濾效應(yīng)、電子轉(zhuǎn)移和能量共振機(jī)制。Zeta電位和紫外光譜已被廣泛用于闡明納米活性炭點(diǎn)的猝滅機(jī)制。當(dāng)引入Cu2+后，納米活性炭點(diǎn)溶液的Zeta電位從-24.8mV增加到4.7mV，表明納米活性炭點(diǎn)和Cu2+之間形成了復(fù)合物。添加100μmol/L-1銅離子后，納米活性炭點(diǎn)的紫外吸收光譜在220至270nm范圍內(nèi)發(fā)生了顯著變化。意味著納米活性炭點(diǎn)和Cu2+的官能團(tuán)之間存在配位。因此，可以推斷納米活性炭點(diǎn)和Cu2+之間的電子轉(zhuǎn)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(diǎn)。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(diǎn)在436nm處產(chǎn)生藍(lán)色發(fā)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(huán)境中重金屬的檢測和去除，不僅實(shí)現(xiàn)了廢棄材料的資源化利用，而且提供了一種新的思路關(guān)于環(huán)境保護(hù)。

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