近日，南方科技大学环境科学与工程学院副教授陈洪课题组围绕“资源循环与转化利用”这一主题，在Journal of the American Chemical Society，Nano letters, Journal of Hazardous Materials等环境化学领域高水平期刊上发表系列论文，内容涉及CO₂资源化转化、海水除盐与综合利用、废旧锂电池资源循环与转化、大宗硅铝酸盐（工程弃土、赤泥、黄土）的资源化转化及其在水土修复工程中应用等。

图1. 表界面工程金属性光催化剂V-Bi₁₉Br₃S₂₇的碳中和应用。

在CO₂资源化转化及碳中和技术开发方面，研究团队在化学类顶尖期刊Journal of the American Chemical Society上，以“Interfacial Engineering of Bi₁₉Br₃S₂₇ Nanowires Promotes Metallic Photocatalytic CO₂ Reduction Activity under Near-Infrared Light Irradiation”为题发表了论文。团队引入了碱刻蚀策略对Bi₁₉Br₃S₂₇纳米线表界面进行了重构，获得表面具有双Br-S缺陷和氧掺杂的环境光催化材料V-Bi₁₉Br₃S₂₇。该材料展现出优异的近红外光响应性，并能将CO₂高选择性的催化还原为甲醇。团队进一步利用同步辐射Bi L₃近边X射线吸收光谱和瞬态吸收光谱，揭示了光催化材料优异性能背后的结构基础。这项研究基于独特的表界面工程策略，为开发高效的近红外光驱动CO₂还原环境催化材料，助力碳中和提供了新型催化材料的设计策略。

图2. BDI用NaBi₃O₄Cl₂电极材料电化学反应机制。

在海水除盐及资源化利用方面，团队以“Electrochemical Driven Phase Segregation Enabled Dual-ion Removal Battery Deionization Electrode”为题，在国际纳米材料技术领域著名期刊Nano Letters 上发表了论文。该论文报道了首个基于电池去离子技术(BDI)的阴阳离子高效去除材料NaBi₃O₄Cl₂。团队通过原位X-射线衍射技术研究，发现NaBi₃O₄Cl₂经过初步还原生成NaBi₃O₄Cl₂/Bi复合相，未反应完全的NaBi₃O₄Cl₂可以作为晶种促进Bi在氧化过程中可逆生成NaBi₃O₄Cl₂。基于这一电化学驱动相分离反应机制，将NaBi₃O₄Cl₂制备成BDI电极，该电极首次实现了对Cl^-和Na⁺的同步去除，容量高达58.4 mg g^-1和8.7mg g^-1。该研究不仅报道了首个高效BDI用阴阳离子同步去除电极材料，也为进一步推动新型海水淡化材料设计提供了新思路。

图3. LiFePO₄废旧电池转化为多孔核壳结构吸附材料及吸附机理示意图。

在废旧电池资源循环与转化利用方面，研究团队在固废处置及重金属污染防治领域著名期刊Journal of Hazardous Materials上，以“High-efficiency Core-shell Magnetic Heavy-metal Absorbents Derived from Spent-LiFePO4 Battery”为题，围绕废旧LiFePO₄电池的资源化利用发表了研究论文。随着锂电时代的到来，废旧锂离子电池的数量急剧增长，这使得锂离子电池的回收利用成为一个热点。基于此，研究团队以成分复杂且难以回收的废旧LiFePO₄阴极为原料，经过简单的碱浸工艺直接转化为具有多孔核壳结构的磁性吸附剂Mm@SiO₂，并将该吸附剂用于污染水体中的重金属的处理，实现了“以废治污”的目标。

图4. 基于“以土治土”策略的重金属污染土壤修复机制。

在基于“以土治土”策略修复重金属污染土壤方面，研究团队以“Converting loess into zeolite for heavy metal polluted soil remediation based on ‘soil for soil-remediation’ strategy” 为题，围绕我国黄土高原丰富的黄土资源的绿色资源化利用问题，在固废处置及重金属污染防治领域著名期刊Journal of Hazardous Materials期刊上发表研究性论文。水土流失和土壤污染是黄土高原所面临的主要环境问题，为解决这个问题，研究团队基于“绿色、低成本、可持续”的发展理念，提出“以土治土”策略，首次将黄土转化为具有多孔结构的CAN型沸石材料。该CAN型沸石材料对含铅(Pb)、铜(Cu)等重金属污染的土壤具有良好的修复效果。该研究成果不但展示了对黄土进行资源化利用的可行性，并且为黄土高原地区重金属污染土壤的原位修复提供了理论依据和技术支撑。

图5. 工程废土绿色转化为ANA型沸石材料用于土壤修复工程。

在城市工程弃土资源化利用方面，研究团队在固废处置及重金属污染防治领域著名期刊Journal of Hazardous Materials期刊上，以“Remediation of Cu-polluted soil with analcime synthesized from engineering abandoned soils through green chemistry approaches”为题，针对深圳市工程弃土绿色资源化利用，发表了研究论文。大量工程弃土的堆积及其再利用问题，是人类所面临的严峻环境问题之一。为此研究团队基于“变废为宝”的发展理念，利用一步法水热合成技术，将工程弃土转化为ANA型沸石材料。该方法所需原料廉价易得，制备过程简单高效，具有广泛的工程转化可行性和应用前景。使用该材料对铜(Cu)污染土壤进行修复后，Cu在土壤中的迁移性大幅度降低，蔬菜作物对Cu的摄入量亦被减少至生物安全水平，不会经由食物链对人体造成Cu摄入过高等不利影响。目前，该型沸石的实验室量产工作已取得突破性进展，可实现公斤级批量制备，用于对含有铬、铅、铜、砷污染土壤进行同步修复及水体中氨氮去除。

 图6. 质子化稳定的砷、氟污染赤泥用于砷、铅污染土壤的绿色修复。

在大宗工业固废赤泥的处置及资源化利用方面，研究团队在固废处置及重金属污染防治领域著名期刊Journal of Hazardous Materials上，以“Protonation stabilized high As/F mobility red mud for Pb/As polluted soil remediation”为题发表了研究论文。高碱性固体废物赤泥的资源化是世界各国所面临的主要固废问题之一，为此研究团队利用质子稳定化技术，对砷、氟溶出活性较高的废弃赤泥进行了稳定化处理。处理后的赤泥，经长期自然老化后，其砷、氟溶出低于国际标准。且对砷、铅污染的土壤具有优异的修复效果。该研究有利于大宗硅铝酸盐固体废物的资源化利用，有利于推进重金属污染水土的大规模治理工作，显示出良好的经济前景和生态效益。

上述工作得到了国家自然科学基金面上项目、广东省杰出青年基金项目、广东省自然科学基金、深圳市基础研究重点项目、深圳市面上项目、广东省土壤和地下水污染控制重点实验室、深圳市材料界面科学和工程应用重点实验室等方面基金和研究平台的资助。上述论文中，陈洪为所有论文的通讯作者之一。学院博士后卫文飞、郑仁基、杨大仲，博士生冯雪真，访问学生邹文松，郑州大学副教授李俊分别为相应论文的第一作者。郑州大学刘巧云、武汉大学潘文凤、深圳大学米宏伟、及我校张作泰、张娟等学者和课题组王然浩、葛秋月、楚哲婷、李晶等学生在上述论文中亦有十分重要的贡献。

上述系列论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.1c01109

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c01487

https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2021.125199

https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2020.123583

https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2020.124673

https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2020.124143

供稿：环境科学与工程学院

通讯员：晏梓添

编辑：劳湘雯