硅烷接枝的g-C3N4纳米片增强型空气监测过滤器，用于高效捕获和检测城市环境中的PM2.5颗粒物

《Environmental Nanotechnology, Monitoring & Management》：Silane-grafted g-C 3N 4 nanosheet enhanced air monitoring filters for PM 2. 5 capture and detection in urban environments

石英滤网经硅烷接枝石墨相氮化碳（g-C3N4）改性后，显著提升铜（Cu）和铅（Pb）的化学吸附效率（>220%），并验证激光诱导击穿光谱（LIBS）可快速替代ICP-OES检测滤网金属负载量，为主动空气净化介质开发提供新策略。

　　

Vignesh Jagajeevan | Vidhya Lakshmi Sivakumar

印度泰米尔纳德邦金奈Saveetha医学与技术科学学院Saveetha工程学院土木工程系

摘要

颗粒物（PM₂.₅）污染在城市环境中对健康构成重大风险，尤其是由于其中含有生物累积性的重金属。本研究评估了用硅烷接枝的石墨碳氮化物（g-C₃N₄）功能化的石英过滤介质捕获富含金属的气溶胶的效果。石英过滤器首先用原始的g-C₃N₄纳米片进行改性，然后又涂覆了硅烷功能化的g-C₃N₄。材料合成通过扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析得到验证。这些过滤器在城市环境中使用15天后，与未经改性的过滤器进行了对比分析。结果显示，虽然原始的g-C₃N₄涂层通过增加表面积（物理吸附）提高了总颗粒物质量，但硅烷功能化的过滤器对痕量金属表现出明显的化学吸附能力。使用电感耦合等离子体-光学发射光谱（ICP–OES）进行的定量分析表明，与原始g-C₃N₄相比，硅烷–g-C₃N₄改性后的过滤器对铜（Cu）和铅（Pb）的捕获效率提高了220%以上。此外，激光诱导击穿光谱（LIBS）表面成像与ICP–OES数据显示出强相关性（R² > 0.9），证明了LIBS作为一种快速、无需试剂的过滤器饱和度检测工具的可行性。这些结果表明，胺类功能化的纳米涂层可以将被动空气过滤器转变为选择性捕获高毒性重金属的主动介质。

引言

空气动力学直径≤2.5微米（PM₂.₅）的颗粒物是城市大气中有毒无机污染物的主要载体。与气态污染物不同，PM₂.₅为铅（Pb）、铜（Cu）和锌（Zn）等重金属的吸附提供了异质表面，这些重金属可来源于人为因素，包括非排放源的交通排放（刹车和轮胎磨损）和工业燃烧（Tilt, 2019）。减轻这些特定金属颗粒的暴露需要既能物理拦截又能化学固定可溶性金属物质的过滤介质（Singh和Singh, 2016; Saxena, 2025）。根据国际健康报告，与污染相关的死亡率每年超过数百万例过早死亡，其中颗粒物污染是导致呼吸系统和心血管疾病的最致命因素之一（Kim等人, 2021; Hamanaka和Mutlu, 2018）。空气污染物的持久性、其在空气中悬浮的时间长度以及跨越地理边界的传输能力，凸显了迫切需要可持续、高性能的减排技术（Bessagnet等人, 2022）。

在各种大气污染物中，颗粒物（PM）因其复杂的物理化学组成及其在人体呼吸道的积聚倾向而受到高度重视。尤其是空气动力学直径小于2.5微米的细颗粒物（PM₂.₅），因为这些亚微米颗粒可以绕过上呼吸道防御机制，沉积在肺泡深处，并进入血液系统，最终影响心血管、肺部和神经系统（Krittanawong等人, 2023; Feng等人, 2016; Fann和Risley, 2013; Sharma等人, 2020）。长期暴露于PM₂.₅与慢性阻塞性肺病（COPD）、哮喘进展、肺癌、缺血性心脏病以及敏感人群的认知能力下降有关（Shin等人, 2021; Amnuaylojaroen和Parasin, 2024; Invally等人, 2017）。除了健康问题外，PM₂.₅还会降低大气能见度，加速基础设施的恶化，影响云核化动态，并导致辐射强迫变化，从而加剧气候变异性（Kutty和Jain, 2025; Nyayapathi等人, 2025）。

传统的空气过滤系统——包括机械式HEPA过滤器、静电除尘器、活性炭介质和旋风分离装置——已在工业和住宅环境中得到广泛应用。尽管这些技术在捕获颗粒物方面表现出色，但它们通常存在固有的缺点，如对纳米级颗粒物的捕获能力有限、过滤器容易堵塞、能耗高、可回收性差以及缺乏实时监测功能（Krigmont, 2022; Liu等人, 2022; Day等人, 2018）。因此，开发能够同时实现颗粒物过滤、主动表面相互作用和智能监测的先进功能材料是下一代空气净化系统的战略方向。

将纳米技术整合到环境净化技术中，为设计出具有更高效率、可调表面化学性质、反应性和传感响应性的过滤介质开辟了前所未有的途径（Cao等人, 2021; Yunus等人, 2012; Taran等人, 2021）。特别是二维（2D）纳米材料，由于其较大的比表面积、片状形态、丰富的活性位点以及在纳米-生物界面与空气污染物相互作用的能力而受到广泛关注（Fu等人, 2018; Fatma等人, 2024; Baig等人, 2021）。其中，石墨碳氮化物（g-C₃N₄）因其无金属成分、内在的化学和热稳定性、独特的π-共轭层状结构、可调的光学带隙以及环境友好性而成为极具前景的候选材料（Thosare等人, 2025; Fidan等人, 2021; Ndiaye和Kimani, 2025）。g-C₃N₄的独特电子和光物理特性使其适用于光子驱动的电荷转移、荧光发射、活性位点的生成以及表面吸附，使其在空气质量检测系统中既可用于污染物捕获也可用于光谱分析（Cheng等人, 2021; Dong等人, 2016）。

然而，原始的g-C₃N₄纳米片在实际应用中存在一些限制，如由于π-π堆叠相互作用导致的片层聚集、表面极性低、对空气颗粒的吸附能力较弱，以及与聚合物和纤维过滤基底的机械结合力不足（Pandi等人, 2024; Niu等人, 2025）。因此，表面功能化成为克服这些挑战的有效方法。特别是硅烷化——将硅烷偶联剂接枝到纳米片表面——提供了一种引入亲水或有机硅烷官能团、提高分散稳定性、减少聚集并增强与过滤纤维和颗粒物污染物结合力的策略（Wieszczycka等人, 2021; Mout等人, 2012; Cao等人, 2016）。在之前的过滤和传感系统中，硅烷功能化的纳米材料显示出更好的界面兼容性、化学稳定性和表面能可调性以及活性位点的暴露（Swaminathan和Swaminathan, 2025; Dong等人, 2021）。

本研究的特定目标是验证用硅烷接枝的g-C₃N₄功能化石英过滤介质是否能够引入表面胺基和硅醇基团，从而选择性地增强对铅（Pb）、铜（Cu）和锌（Zn）等重金属的化学吸附，相较于单纯的物理捕获机制。通过实现特定的金属-表面相互作用，改性后的过滤器有望更好地保留与细颗粒物相关的有毒可溶性金属物质。此外，本研究还评估了使用激光诱导击穿光谱（LIBS）作为电感耦合等离子体-光学发射光谱（ICP–OES）的快速、无溶剂替代方法的可行性，以验证LIBS作为快速评估过滤器性能的实际工具的有效性。

材料与试剂

分析级尿素（≥99%）、(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷（APTES, ≥99%）、乙醇（≥99.8%）和氨溶液（25 wt%）从Sigma-Aldrich购买，无需进一步纯化即可使用。高纯度石英微纤维过滤器（QM-A, Whatman, 美国）因其热稳定性和最小的无机干扰而被广泛用于空气质量监测，其技术规格列于表1中。所有水基制备均使用这些试剂。

纳米片的形态和成分分析

为了研究功能化过程引起的物理变化，通过扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDX）对纳米片的表面形态和元素组成进行了表征。

图1a所示的原始g-C₃N₄纳米片展示了该材料的典型形态：柔软、聚集且起皱的纳米片层（Tilt, 2019）。这种二维层状结构是其典型特征。

关于LIBS与ICP-OES性能验证的讨论

此外，本工作的一个重要目标是验证LIBS作为更繁琐、具有破坏性和耗时的ICP-OES方法的快速替代方法的可行性。图10中的叠加图直接比较了两种方法对关键元素（Na、Mn、Zn和Cu）的测量结果。

比较结果显示了极好的定性和半定量相关性。对于这四种元素，LIBS测量的趋势（归一化强度，红色条形）与实验结果完全一致。

结论

总之，空气污染，特别是有毒颗粒物，对人类健康和环境构成了重大且持久的威胁。本研究表明，将g-C₃N₄纳米结构引入空气监测过滤器中，具有显著提高颗粒物吸附效率的潜力。初步使用原始g-C₃N₄纳米片改性的结果显示，其作为高容量物理吸附剂的性能得到了显著提升。

CRediT作者贡献声明

Vignesh Jagajeevan：撰写初稿、方法论设计、实验研究、数据分析、概念化。

Vidhya Lakshmi Sivakumar：撰写与编辑、数据可视化、结果验证、项目监督、软件使用、资源管理、方法论设计、实验研究、资金获取、数据分析、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。