纺织、造纸等工业产生的染料废水因其高毒性、高稳定性和难降解性，导致传统处理法面临效率低、能耗高及二次污染等瓶颈问题。近年来，“吸附-光催化”协同技术因能快速富集并原位降解污染物、实现材料再生而备受关注。然而，该体系目前仍面临制备工艺复杂、材料回收困难、界面协同不足及环境不够友好等应用挑战。
近日，西安工程大学刘呈坤教授团队在期刊《Small》上，发表了最新研究成果“Green Fabrication of Synergistic Adsorption-Photocatalysis Nanofiber Composite Membranes for Enhanced Dye Removal”。提出了一种绿色、可扩展的三阶制备策略，以乙醇为溶剂，通过共混静电纺丝制备醇溶聚酰胺（EPA）/活性炭（AC）纳米纤维基底，继以仿生原位聚合，在纤维表面构筑聚多巴胺（PDA）界面层，最后在室温下诱导生长层状双氢氧化物（LDHs），形成有机-无机杂化结构。该策略成功构筑了EPA/AC/PDA/LDHs复合纳米纤维膜，通过活性位点富集、界面结合强化及电荷转移能力提升，实现了良好的染料去除效果（图1）。
本研究通过构建吸附-光催化耦合路径，实现了对染料废水的高效、持续净化。其内在机制即染料通过静电吸引与π-π堆积作用被高效捕获，更通过PDA的可见光响应特性与LDHs的催化活性位点之间的电子协同效应，实现染料的原位降解。该方法相比以往研究，在整个制备过程中避免了DMF、DMAc等有毒有机溶剂的使用，也不涉及高温烧结或煅烧步骤，在保证材料结构与性能的同时显著降低了能耗与环境负担。
图1：EPA/AC/PDA/LDHs膜制备流程与应用机制。
如图2所示，AC均匀嵌入纤维网络中且使得纤维直径变得更细，PDA修饰后纤维表面更为粗糙，有利于后续LDHs在纤维表面均匀稳定生长。局部放大图进一步显示，LDHs纳米片与纤维基底结合紧密，无显著脱落或团聚现象，表明室温合成法可以有效实现LDHs的负载。元素分布结果进一步证明了各功能组分在纤维膜中的均匀分布。
图2：纤维膜的微观形貌与元素分布。
图3系统表征了复合膜的力学性能、润湿性及孔结构特征。结果表明，EPA/AC/PDA/LDHs纳米纤维膜在保持良好机械强度的同时，具有较高比表面积和优异亲水性。这些特性为染料分子的快速传质和高效吸附提供了结构基础。
图3：纤维膜的力学性能、润湿性及孔结构特征。
如图4所示，可以看到，LDHs/PDA/AC/EPA复合膜对两种不同电性的染料——亚甲蓝（MB）和刚果红（CR）均表现出快速且高效的吸附能力，并在较短时间内达到吸附平衡。
图4：LDHs/PDA/AC/EPA复合膜在不同条件下的吸附性能。
如图5和图6所示，吸附过程与准二级动力学模型及Langmuir等温模型具有良好拟合度，说明染料分子在膜表面发生了多位点协同吸附，进一步验证了复合膜表面活性位点的有效利用。为阐明超越动力学拟合范围的质量传递机制，应用了颗粒内扩散模型，这些曲线呈现出多线性特征，表明吸附过程是通过多个步骤进行的，而不是由单一的扩散过程所主导。初始区域归因于外部表面的快速吸收，随后是染料分子迁移进入多孔纤维网络时的较慢颗粒内扩散阶段。
图5：LDHs/PDA/AC/EPA复合膜在不同条件下的吸附性能。
图6：不同初始浓度吸附容量与等温吸附模型分析。
图7对比了黑暗条件下与可见光照射下的协同去除效果。在光照条件下，复合膜的染料去除效率显著提升，说明光催化过程能够持续降解已吸附的染料分子。这一过程有效避免了吸附位点“饱和失效”的问题。进一步给出了光催化反应速率常数、不同pH和离子浓度下的去处效果以及循环使用性能。结果表明，该复合膜在不同环境与多次循环后仍能保持较高去除效率。
图7：吸附–光催化协同去除染料性能。
图8给出了吸附-光催化协同处理染料的机理示意图，并进行了ESR、光电流响应及EIS测试，对该协同效果进行了佐证。
图8：吸附-光催化协同处理染料机理示意图。
综上，本研究不仅为实现大规模、可回收且低能耗的废水治理提供了一条切实可行的路径，更在绿色工艺设计与实际环境应用之间架设了桥梁，也为未来开发应用于水净化及更广泛环境修复领域的仿生多功能材料奠定了理论研究基础。
论文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202512409
刘呈坤，三级教授，博士生导师，西安工程大学发展规划处（学科办）副处长（副主任）（主持工作），功能微纳纺织材料陕西省高校工程研究中心主任，陕西省青年科技新星。担任中国产业用纺织品行业协会静电纺丝非织造材料专业委员会副主任委员和《西安工程大学学报》青年编委等学术职务。2017年和2018年在英国曼彻斯特大学和美国明尼苏达大学访学和进修。
主要从事功能-智能微纳米纤维材料领域的相关研究工作。主持国家自然科学基金项目、陕西省创新能力支撑计划项目、陕西省创新人才推进计划项目、山东省博士后创新项目专项资金一等资助项目及陕西省教育厅重点实验室项目等科研项目20余项，主持编制陕西省“十四五”纺织行业发展规划1项。迄今在Adv. Fiber Mater.，Nano energy，Chem. Eng. J.，Small，ACS Appl. Mater. Interfaces，Mater. Design，Int. J. Biol. Macromol.等期刊发表论文60余篇。授权国家发明专利16件，其中转让4件，1件专利获得中国纺织工业联合会高质量入库专利。曾获中国纺织工业联合会技术发明奖二等奖1项，陕西省科学技术奖三等奖1项，陕西高等学校科学技术奖二等奖2项，中国纺织工业联合会“纺织之光”教师奖，中国纺织工程学会纺织优秀硕士学位论文指导教师，以及《纺织学报》优秀论文奖、陈维稷优秀论文奖、姚穆院士奖学基金一等奖等多个奖项。
