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  2. 咖啡渣變身海洋防污“衛士”
    2025-02-12 14:33:47 作者:中國科學院海洋研究所 來源:中國科學院海洋研究所 分享至:

    以下文章來源于中科院之聲 ,作者張瑞永

    隨著我國海洋資源開發的加速推進,生物污損問題已成為海洋環境與經濟發展面臨的挑戰。

     

    中國科學院海洋研究所通過綠色合成方法,成功制備出一種以咖啡渣為原料的多孔泡沫結構二氧化鈰(CeO2)光催化劑。這種天然植物源催化劑能夠有效殺滅細菌,進而實現綠色長效防治海洋生物污損。

     

    ▲泡沫狀CeO2與球狀CeO2光催化殺菌示意圖

     

    01

     

     

    海洋腐蝕的“隱形推手”

     

     


    海洋腐蝕對海洋裝備設施的服役安全性和使用壽命構成了嚴重威脅。生物污損作為海洋腐蝕的“隱形推手”,通過多種機制加速了材料的腐蝕進程。

    生物污損會改變材料表面氧氣濃度分布,形成氧濃差電池,進而引發氧化反應,加速腐蝕。污損生物產生的腐蝕性產物會侵蝕金屬基體,破壞保護涂層,使金屬暴露于腐蝕環境。更為嚴重的是,污損生物還會改變局部環境條件,進一步加速金屬腐蝕,顯著縮短海洋設施使用壽命。

    02

     

     

    咖啡渣“變廢為寶”

     

     


    研究團隊發現,廢棄咖啡渣在80℃條件下提取的產物——帕拉黃嘌呤、可可堿和茶堿三種同分異構體,均含有活潑的-NH鍵。這些產物具有作為高效還原劑和封端劑的潛力,可用于輔助合成具有特殊形貌的CeO2催化劑

    秉持“變廢為寶”理念,研究團隊對廢棄咖啡渣進行了創新性開發。

    通過深度萃取,研究團隊獲得了咖啡渣中的有效產物,并將其作為還原劑和封端劑,與六水硝酸鈰反應生成中間產物。隨后,在100℃下進行脫硝去水處理,形成凝膠狀的Ce(OH)3。經過高溫煅燒,產物以CO2、NO2和H2O的形式逸出,最終合成具有多孔泡沫狀結構的CeO2。

     

    ▲泡沫狀CeO2的合成示意圖


    與傳統合成方法相比,該CeO2在比表面積和孔隙率等方面優勢顯著。其大比表面積為化學反應提供豐富活性位點,利于細菌吸附;多孔結構提升可見光利用效率,高效轉化太陽能為化學能,為光催化反應提供強大動力。


    對光催化殺菌性能深入探究后,研究團隊發現多孔泡沫狀CeO2在光激發活性氧響應和活性方面表現極為出色,遠超其他同類材料。

    03

     

     

    綠色合成開啟 “防污大門”

     

     

     

    為了驗證咖啡渣制備的CeO2的殺菌效果,研究團隊測試了其在液相環境下的光催化殺菌性能。結果表明,該多孔泡沫狀CeO2對革蘭氏陽性菌和陰性菌均有較高的催化殺滅效果。目前,該催化劑已完成實驗室防污試驗,研究團隊正在開發用于海洋工程裝備的防污涂料。

     

    ▲CeO2對金黃色葡萄球菌(S. aureus)和(c)銅綠假單胞菌(P. aeruginosa)的抗菌性能測試

    這一成果不僅為光催化海洋防污涂料的開發提供了綠色、高效且具有工業化潛力的新方法,還顯著減少了環境污染和生產成本,為綠色防污涂料的研發奠定了堅實基礎,展現出重要的科學價值和廣闊的應用前景。

    未來,研究團隊將繼續優化合成過程,并致力于將泡沫多孔型光催化劑應用于防污防腐涂料的開發,以期研制出可用于實際海工設備設施的綠色長效海洋防污涂料。

    來源:中國科學院海洋研究所

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