本文针对煤气化渣(CGFS)资源化利用困难的问题, 以CGFS为原料, 采用碱熔活化-水浸-水热法合成4A分子筛。在水钠比(n(H2O)/n(Na2O), 摩尔比)为80、硅铝比(n(SiO2)/n(Al2O3), 摩尔比)为2的条件下, 探讨了反应时间、水热温度和前驱液老化对合成的4A分子筛物相结构和微观形貌的影响, 提出了活化CGFS-P1分子筛-4A分子筛快速高效的转晶合成机理, 并利用硫酸铜溶液模拟含重金属离子工业废水, 测试了制备的4A分子筛对Cu2+的吸附性。结果表明, 在100 ℃反应12 h条件下能够制备出尺寸均一且结晶良好的4A分子筛, 其对Cu2+的吸附主要发生在前10 min, 吸附率达69.7%, 90 min时的最大吸附率高达97.3%, 饱和吸附容量为196.4 mg/g, 制备的4A分子筛表现出良好的吸附性能, 为CGFS高值化利用提供了理论依据和试验基础。

Cu2ZnSnS4薄膜因其元素地壳含量丰富、无毒且具有优异的光电性能, 受到研究者的广泛关注。本文基于纳米墨水法用Cd部分取代Zn制成了Cu2(CdxZn1-x)SnS4(CCZTS)薄膜, 研究退火时间和后退火温度对薄膜及其太阳电池性能的影响。研究结果表明, 所制备的薄膜为CCZTS相, 无其他杂相, 薄膜表面平整且致密, 结晶性较好。随着退火时间增加, 薄膜的晶粒尺寸有所增大, 薄膜太阳电池的pn结质量得到提升, 其性能也随之提高。通过对薄膜太阳电池进行后退火处理, 分析了吸收层的元素扩散对电池性能的影响, 在Cd元素形成梯度分布时, 电池性能有所提高。随着后退火温度的增加, 其电池性能和pn结质量呈现先提高后下降的趋势。经后退火300 ℃处理后, 电池转换效率最佳, 为3.13%。

向日葵作为我国主要的油料作物之一, 其秸秆是天然的纤维素材料, 具有绿色无毒, 成本低廉的优势, 是制备生物质碳量子点的理想材料之一。 近年来, 由于含铜农药和化学肥料的不规范使用, 大量含铜污染物被排放导致农田土壤和水环境中的铜含量远高于环境背景值。 因此, 迫切需要开发出一种选择性好、 灵敏性强且对环境友好的Cu2+检测方法。 碳量子点(CDs)是一种粒径小于10 nm的准球形荧光碳纳米材料, 因其表面含有丰富的极性官能团, 具有良好的水溶性而被广泛研究。 与传统的半导体量子点(CdSe, CdTe)相比, CDs具有合成原料广泛、 生物相容性好等优点。 主要应用于生物成像、 光催化、 光电转化以及传感检测等领域。 然而目前用于碳化合成CDs的前驱体大多为昂贵的化学品, 且合成过程复杂污染环境, 限制了CDs的大规模生产与应用。 开发出一种生态友好, 简单、 廉价的CDs合成方法是很有意义的。 本研究以废弃的向日葵秸秆为碳源, 采用简便的水热法合成生物质碳量子点(S-CDs)作为荧光探针, 用于检测识别Cu2+。 通过对S-CDs的一系列光学性质分析与表征, 鉴定出其表面官能团主要包括O-H, N-H以及CN等, 其中丰富的O-H可以提供胶体稳定性, 有效地控制纳米颗粒的形态和粒径分布, 从而提高S-CDs的量子产率(QYs)。 ex=317 nm, em=456 nm, S-CDs在pH为2.0～12.0的范围内具有优异的光学性能和良好的光稳定性, 受高盐度环境的影响较小, QYs约为8.42%, 在365 nm的紫外分析仪照射下发射出蓝色荧光。 此外, 以合成的S-CDs作为荧光探针, 进一步研究了基于Cu2+诱导S-CDs的荧光猝灭效应。 结果表明, 制备的S-CDs在0～10 μmol·L-1浓度范围内对Cu2+反应灵敏, 呈良好的线性关系(R2=0.971 4), 检出限(LOD)低至167 nmol·L-1。 在实际应用中, 湖水中的Cu2+检测回收率在96.18%～109.22%。 该研究在资源化利用秸秆废弃物的基础上, 介绍了一种基于荧光碳量子点的Cu2+检测方法。

将转炉钢渣磨碎筛分, 从钢渣投加量、吸附时间、酸性条件等方面探究其对水溶液中Ni2+的吸附性能及吸附机理, 并讨论Cu2+对钢渣吸附Ni2+的影响。研究结果表明, 100 mL浓度为50 mg·L-1的Ni2+溶液, 用200目(0.074 mm)0.15 g的钢渣处理30 min, Ni2+的吸附率为99.88%。钢渣吸附Ni2+的过程符合准二级动力学模型和Freundlich等温模型。钢渣吸附Cu2+与吸附Ni2+属于竞争吸附, 且钢渣对Cu2+的吸附能力优于对Ni2+的吸附能力。钢渣吸附Ni2+的过程以化学吸附为主, 伴随着物理吸附, 且随着钢渣表层吸附位点的减少, 钢渣对Ni2+的物理吸附作用会逐渐减弱。该研究对处理工业含Ni2+与Cu2+的废水具有一定的指导意义。

采用溶胶凝胶法制备出一种荧光性能稳定的氧化锌量子点(ZnO-NH2 QDs), 并对其进行紫外-可见光谱(UV-Vis)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X 射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、X 射线光电子能谱(XPS)、荧光(PL)表征。基于Cu2+对ZnO-NH2 QDs动态荧光猝灭且Cu2+可与邻苯二胺(OPD, 为非荧光物质)反应生成具有黄色荧光的2,3-二氨基吩嗪(DAP)的机理, 开发了一种具有特异性识别Cu2+的ZnO-NH2 QDs荧光探针以及ZnO-NH2 QDs+Cu2++OPD荧光传感系统。该探针在40~9 000 nmol/L的线性范围内检测Cu2+, 检测限(LOD)为3.93 nmol/L。在自来水中的加标回收率范围为98%~100.58%, 在柳江水中Cu2+的加标回收率范围为97.43%~101.47%。实验结果表明该探针对Cu2+有较好的选择性和准确度, 能为金属离子Cu2+的荧光快速检测提供一种新思路。

以3-羟基-2-萘甲酰肼和4-二苯氨基苯甲醛为原料, 设计合成了一种新型萘甲酰腙铜离子荧光探针L(N′-(4-(二苯胺基)亚苄基)-3-羟基-2-萘酰肼), 并通过1H NMR、13C NMR、HR-MS、IR和X射线单晶衍射法对L的结构进行了表征。在H2O/DMSO(V∶V=3∶7, pH=7)溶液体系中, 可以高选择性和高灵敏性识别Cu2+。通过质谱法、核磁滴定和DFT计算对L与Cu2+可能的作用机理进行了研究。通过将L掺杂到聚丙烯酰胺(PAM)中, 制备了凝胶(PAML)。研究表明, PAML对Cu2+有很好的吸附性能, 且不受其他离子的干扰, 对水中Cu2+去除率可以达到96.99%, 并且在紫外灯下通过肉眼很容易进行区分。之后通过SEM-EDS对PAML吸附前后的微观形貌和成分进行了分析。

以石墨烯和自制TiO2粉末为原料，通过两步水热法联合真空抽滤法制备还原氧化石墨烯/TiO2纳米线(rGO/TiO2 NWs)复合膜。通过扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射仪(XRD)、拉曼光谱对rGO/TiO2 NWs复合膜的形貌、结构进行表征。研究结果表明，还原氧化石墨烯和TiO2 NWs成功地复合在一起，复合材料中TiO2 NWs分散性较好。Cu2+吸附实验结果表明，复合材料中TiO2 NWs所占比例、pH值是影响Cu2+吸附效果的重要因素，研究复合材料对Cu2+的吸附效果应该在pH值为6.0的近中性环境。其中TiO2 NWs含量为50%时，复合膜对Cu2+的吸附量最高，达到rGO薄膜的4倍。复合薄膜有较好的吸附稳定性，重复使用5次后，吸附率是原吸附量的91%。

Cu2+是人体正常代谢所必需的微量元素之一, 但是过量的Cu2+会造成代谢紊乱, 进而诱发各种疾病。 长期以来, 铜材料的过度使用和后处理不当导致生活环境中的Cu2+浓度超标, 成为重金属污染物之一, 因此生活环境中Cu2+含量的检测成为人们关注的热点。 基于荧光探针的荧光光谱法由于选择性好、 灵敏度高等优点被广泛应用于离子检测领域。 利用荧光探针分子与待检测离子可发生选择性的弱相互作用, 研究者们探索并设计了诸多可用于Cu2+检测的荧光探针。 然而普通的荧光探针由于灵敏度较差或选择性不理想等问题缺乏实际应用价值。 设计并合成了一种新的化学型荧光探针分子9,10-二(3’-羟基-4’-亚甲胺氨基硫脲苯基)蒽(b-HTPA)。 该探针分子通过与Cu2+的络合作用, 改变自身的电子排布结构, 使得其荧光性能发生显著变化, 由此对Cu2+产生灵敏的响应。 通过上、 下转换荧光光谱来研究b-HTPA对Cu2+检测的各项性能, 并结合拟合计算得出最终结果。 选择性研究结果表明, 相比其他13种金属阳离子, Cu2+对b-HTPA荧光猝灭效果最为显著, 空白探针分子荧光与加入Cu2+后的荧光强度比可达150∶1。 灵敏性研究结果表明, b-HTPA对Cu2+的最低检测限为2.78×10-7 mol·L-1, 远低于中国卫生部《生活饮用水卫生标准》(GB5749—2006), 表现出良好的荧光响应灵敏性和理想的最低检测限。 响应时间测试结果表明, b-HTPA与Cu2+在0~2 min时间范围内反应速率最大, 并在约10 min后反应完全, 说明b-HTPA在对Cu2+检测中可以短时间产生响应, 降低实际应用中的检测时间和周期。 还使用八乙基卟啉钯(PdOEP)作为光敏剂, 以b-HTPA为湮灭剂, 利用上转换荧光光谱对b-HTPA/PdOEP/Cu2+体系的灵敏性和检测限进行测试研究。 结果表明, 探针的上转换荧光强度随着Cu2+浓度的增加而降低, 具有良好的响应性, 通过拟合计算, 得出b-HTPA对Cu2+的检测限为3.78×10-6 mol·L-1, 低于《生活饮用水卫生标准》规定的检测下限。 设计合成的新型荧光探针分子9,10-二(3-羟基-4-亚甲胺氨基硫脲苯基)蒽对Cu2+具有高选择性、 高灵敏度和理想的检测限, 且响应速度快, 展现了上转换发光在检测领域具有应用潜力

采用水热法制备Cu2+离子共掺杂的β-NaYF4∶20%Yb3+, 2%Er3+上转换晶体。通过X射线衍射(XRD)及透射电子显微镜(TEM)数据分析, Cu2+离子的掺杂不影响样品的晶相与形貌。通过荧光光谱观察到, 随着Cu2+离子的掺杂摩尔分数从0增加到40%, 紫外到可见的上转换发光强度先增大再减小。在掺杂5％Cu2+离子时, β-NaYF4∶20%Yb3+, 2%Er3+晶体呈现出最大的上转换发光强度。这是因为低价态的Cu2+离子掺杂导致F-空位的产生, 降低了Er3+离子周围晶体场的对称性, 从而有利于上转换发光的增强。

重金属铜离子(Cu2+)与铅离子(Pb2+)污染对玉米叶片光谱的影响微弱、 隐蔽而难于探测。 研究中设置不同浓度Cu2+, Pb2+胁迫的玉米盆栽实验, 测定了玉米叶片光谱、 叶片中Cu2+, Pb2+含量与叶绿素相对含量, 分析了Cu2+, Pb2+污染胁迫下玉米叶片光谱响应特征, 并选取480～670与670～750 nm范围来进行分析, 在光谱维中定义了光谱微分差信息熵指数与在频率域中通过谐波分析提取了前三次谐波振幅(c1, c2与c3)指数, 并用所定义的指数探测分别受Cu2+, Pb2+胁迫玉米叶片光谱微弱差异。 实验结果表明, 在480～670与670～750 nm范围内, 玉米叶片中重金属离子浓度越大, 其光谱微分差信息熵就越大; 在480～670 nm波段, 谐波分解后第一谐波振幅c1与第二谐波振幅c2可用于识别Cu2+, Pb2+污染程度; 在670～750 nm波段, 第一谐波振幅c1、 第二谐波振幅c2与第三谐波振幅c3可用于识别Cu2+污染程度, 而c2则可以识别Pb2+污染程度, 污染胁迫越大振幅越大。 在480～670与670～750 nm波段内, 光谱微分差信息熵与前三次谐波振幅可作为识别玉米受Cu2+, Pb2+污染胁迫程度的指数, 从光谱维与频率域两种维度来识别玉米受Cu2+, Pb2+胁迫程度的方法可行, 文中定义的两类指数可稳健、 可靠地探测与识别玉米受Cu2+, Pb2+影响所产生的光谱微弱差异, 研究结果对利用高光谱来探测植被受重金属污染胁迫程度具有一定的参考价值。