據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國土壤、沉積物和水環(huán)境中生物炭的累積存量高達(dá)3000 ~ 5000億噸。另外，由于生物炭在農(nóng)業(yè)、環(huán)境、能源等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，其產(chǎn)量每年仍高達(dá)4.2億噸，因此生物炭的大量使用勢必對(duì)環(huán)境產(chǎn)生不可估量的影響。隨著生物炭光催化活性的發(fā)現(xiàn)，生物炭對(duì)于環(huán)境中元素的氧化還原、賦存狀態(tài)、遷移轉(zhuǎn)化和環(huán)境循環(huán)等地球化學(xué)過程的調(diào)控和影響已經(jīng)成為領(lǐng)域的前沿和熱點(diǎn)。目前，生物炭光催化的環(huán)境屬性研究尚處于起步階段，不同生物質(zhì)源和熱解溫度對(duì)于生物炭結(jié)構(gòu)及其光催化過程的調(diào)控過程和分子機(jī)制尚不清楚。 

　　中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院（以下簡稱西北研究院）范橋輝科研團(tuán)隊(duì)分別以富含纖維素和木質(zhì)素的小白菜和玉米芯為生物質(zhì)源，在不同熱解溫度下制備了系列生物炭材料，系統(tǒng)研究了典型污染物Cr(VI)在纖維素和木質(zhì)素生物炭表面的光催化還原性能、過程和機(jī)制等。研究結(jié)果表明，低溫?zé)峤鈺r(shí)，纖維素生物炭中產(chǎn)生較多的含氧官能團(tuán)；而木質(zhì)素中芳香結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，因此產(chǎn)生的生物炭中存在較多的芳香骨架。由于生物炭結(jié)構(gòu)和形貌特征的差異性，纖維素生物炭和木質(zhì)素生物炭在光吸收、電導(dǎo)率、光電流響應(yīng)和能帶結(jié)構(gòu)等方面存在顯著性差異。纖維素生物炭對(duì)于Cr(VI)的光催化還原效率約為木質(zhì)素炭的1.3倍。纖維素生物炭中光活性的70%來自于其可溶組分，而木質(zhì)素炭中幾乎為100%。雖然兩種生物炭的可溶組分存在明顯的結(jié)構(gòu)差異，但均主導(dǎo)了生物炭光催化還原Cr(VI)的整個(gè)過程。對(duì)于木質(zhì)素和纖維素生物炭而言，界面電子傳輸均是Cr(VI)光催化還原的關(guān)鍵反應(yīng)途徑，但纖維素生物炭體系中·O₂^-的產(chǎn)生對(duì)Cr(VI)光催化還原也有一定貢獻(xiàn)。值得注意的是，纖維素生物炭和木質(zhì)素生物炭體系中均可產(chǎn)生·OH自由基，且對(duì)Cr(VI)光催化還原有一定的貢獻(xiàn)。該研究揭示了生物炭結(jié)構(gòu)演化對(duì)Cr(VI)光催化還原反應(yīng)效率和過程的調(diào)控機(jī)制，可為評(píng)估生物炭的光活性對(duì)環(huán)境變價(jià)元素的賦存狀態(tài)、遷移轉(zhuǎn)化和循環(huán)等地球化學(xué)行為的調(diào)控作用提供理論依據(jù)。 

　　該研究成果以Different photoreduction processes of Cr(VI) on cellulose-rich and lignin-rich biochar為題發(fā)表在環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域主流期刊Environmental Research（IF=8.3）。西北研究院博士生鄂正陽為論文第一作者，范橋輝研究員為通訊作者。該研究獲中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)、廢舊礦山修復(fù)治理甘肅省引才引智基地、甘肅省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、自然資源部黃河上游戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等項(xiàng)目共同支持。

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富含纖維素木質(zhì)素生物炭光催還原Cr(VI)的過程和機(jī)制