據(jù)統(tǒng)計，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3000 ~ 5000億噸。另外，由于生物炭在農(nóng)業(yè)、環(huán)境、能源等領域的廣泛應用，其產(chǎn)量每年仍高達4.2億噸，因此生物炭的大量使用勢必對環(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)，生物炭對于環(huán)境中元素的氧化還原、賦存狀態(tài)、遷移轉化和環(huán)境循環(huán)等地球化學過程的調(diào)控和影響已經(jīng)成為領域的前沿和熱點。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)源和熱解溫度對于生物炭結構及其光催化過程的調(diào)控過程和分子機制尚不清楚。 

　　中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院（以下簡稱西北研究院）范橋輝科研團隊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、過程和機制等。研究結果表明，低溫熱解時，纖維素生物炭中產(chǎn)生較多的含氧官能團；而木質(zhì)素中芳香結構較為穩(wěn)定，因此產(chǎn)生的生物炭中存在較多的芳香骨架。由于生物炭結構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、電導率、光電流響應和能帶結構等方面存在顯著性差異。纖維素生物炭對于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構差異，但均主導了生物炭光催化還原Cr(VI)的整個過程。對于木質(zhì)素和纖維素生物炭而言，界面電子傳輸均是Cr(VI)光催化還原的關鍵反應途徑，但纖維素生物炭體系中·O₂^-的產(chǎn)生對Cr(VI)光催化還原也有一定貢獻。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Cr(VI)光催化還原有一定的貢獻。該研究揭示了生物炭結構演化對Cr(VI)光催化還原反應效率和過程的調(diào)控機制，可為評估生物炭的光活性對環(huán)境變價元素的賦存狀態(tài)、遷移轉化和循環(huán)等地球化學行為的調(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)境科學領域主流期刊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。該研究獲中國科學院青年創(chuàng)新促進會、廢舊礦山修復治理甘肅省引才引智基地、甘肅省重點實驗室、自然資源部黃河上游戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源重點實驗室等項目共同支持。

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富含纖維素木質(zhì)素生物炭光催還原Cr(VI)的過程和機制