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每日之星|我院特聘研究员刘艳彪团队2019年度在电活性分离膜领域取得系列研究进展

膜分离技术作为一种新型高效的水处理手段在环境领域发挥着举足轻重的作用。但基于孔径筛分机制的传统分离膜已无法满足日趋严格的水质要求。基于此,刘艳彪团队利用碳材料优异的理化性质(如导电性能优异、比表面积大和成膜性好),构筑了电场辅助的新型多功能膜分离体系,充分发挥了碳材料优异的电学特性和耐腐性,实现了电化学和膜分离的有机结合,有效拓展了膜分离技术的应用范围。

  (1)利用辅助电场对目标污染物进行价态调控以及同步吸附去除。例如,利用TiO2纳米颗粒修饰的碳纳米管(CNT)阳极滤膜,可在电场作用下将高毒性三价锑氧化为低毒性五价锑,后者可被TiO2快速吸附,见图1;同样地,利用TiO2/CeOxCNT膜进行修饰后,可在电场下将亚磷酸盐氧化成磷酸盐,而TiO2CeOx纳米颗粒对磷酸盐的吸附去除过程也表现出明显的协同作用机制。此外,利用纳米级PANI颗粒修饰的CNT阴极滤膜,可将高毒性六价铬快速还原为低毒性三价铬,并利用PANI实现了三价铬的吸附。相关研究成果发表在环境领域著名期刊Environmental Science & Technology (2019, 53, 1527)Environmental Pollution (2019, 251, 72)Science of The Total Environment (2019, 695, 133926; 2020, in press)上。

1. 基于TiO2-CNT的电活性滤膜体系可同时实现锑(III)的氧化和吸附

copyright (2019) American Chemical Society

  (2)以新型污染物抗生素及其水解产物为研究对象,利用电场辅助的CNT滤膜实现了目标物分子的快速降解,同时显著削弱其抑菌性能;在此基础上,通过界面调控手段,实现了二维FeOCl纳米催化剂在CNT滤膜上的妥善搭载,从而构筑新型高效的电芬顿体系,见图2。采用的连续流设计可显著改善系统的对流传质效能,大幅提高目标污染物分子的降解动力学过程。此外,以水体中的氨氮为污染物,该团队利用纳米SnO2颗粒对CNT阳极膜进行修饰以拓展膜材料的析氧电位。在高电势下将体系中的[Cl-]转化为Cl·,后者可与氨氮发生选择性反应生成硝酸盐,而硝酸盐可进一步在阴极被还原为氮气。相关研究成果发表在环境领域著名期刊Applied Catalysis B: Environmental (2020, 260, 118204)Chemical Engineering Journal (2019, in press)Chemosphere (2019, 229, 383; 2020, 244, 125525)上。

2. 基于FeOCl-CNT的连续流电芬顿体系可实现有机污染物的快速降解

copyright (2020) Elsevier

  (3)为进一步提升滤膜体系的氧化能力,刘艳彪团队同时将光化学和电化学与膜分离技术进行耦合,构筑新型的光电活性滤膜技术。例如,以光响应型铁基MOF改性的CNT膜作为阳极,可在光电协同作用下利用光激发产生的h+OH•等活性物种实现三价锑的脱毒,氧化产物五价锑可被铁基MOF材料进一步吸附去除,见图3。类似的概念同样适用于其他类似有毒重金属离子(如六价铬和三价砷)的超快脱毒(t<2秒)。相关研究成果发表在环境领域著名期刊Journal of Hazardous Materials (2019, in press)Chemical Engineering Journal (2019, minor revision)Science of The Total Environment (2019, 668, 966)Chemosphere (2020, in press)

3. 基于FeMOF改性的CNT光电活性滤膜体系可实现有毒重金属离子超快脱毒

copyright (2020) Elsevier

   刘艳彪博士是我校2017年引进的特聘研究员,新加坡国立大学博士后研究员,哈佛大学访问学者,2012年博士毕业于上海交通大学。现指导博士研究生2人和硕士研究生7人,见图4。入职东华大学以来发表第一/通讯作者SCI论文共计29篇。其中, I/IISCI论文共计19篇,3篇文章入选ESI高被引论文,申请发明专利共计18项,受邀撰写英文章节4篇,入选上海市浦江人才计划和松江区拔尖人才计划。

4. 刘艳彪团队合影