《Inorganic Chemistry Communications》：Synergistic integration of carbonized curcumin and g-C
3N
4 nanosheets: a metal-free architecture for ultra-fast dye adsorption and potent antibacterial action
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姜黄素碳化修饰的石墨相氮化碳纳米复合材料（C-Cur/gCN）通过增强孔隙性和表面活性，显著提升甲基蓝（MB）吸附效率至258.39 mg g?1，并展现抗菌活性。材料经五次循环再生后吸附性能稳定，且未受外部盐离子干扰，具有环境友好、低成本优势。
拉金德·辛格（Rajender Singh）| 阿努杰·库马尔（Anuj Kumar）| 普尔纳·阿特里（Prerna Attri）| 拉梅什·库马尔·夏尔马（Ramesh Kumar Sharma）| 甘加·拉姆·乔杜里（Ganga Ram Chaudhary）
印度昌迪加尔旁遮普大学CIL/SAIF/UCIM系，邮编160014
摘要
化学性质稳定的合成染料一旦释放到水环境中，由于其持久性、低生物降解性和生态毒性，仍是对传统废水处理技术的一大挑战。本研究合成了一种碳化姜黄素改性的石墨碳氮化物（C-Cur/gCN）纳米复合材料，并对其吸附亚甲蓝（MB）和抗菌性能进行了研究。将碳化姜黄素引入gCN框架后，观察到纳米片层明显剥离（通过高能电子显微镜HRTEM证实），孔隙大小从2.324纳米增加到3.632纳米（通过BET测试），碳含量从34.156%（纯gCN）提高到47.622%（5% C-Cur/gCN）（通过碳氮比CHN测定），这些变化共同增强了与染料分子的相互作用。在所有制备的材料中，含有5%碳化姜黄素的纳米复合材料对亚甲蓝的吸附能力最强（258.39毫克/克），几乎是纯gCN（53.93毫克/克）的五倍。这种优化后的纳米复合材料在经过五次再生循环后仍保持稳定的吸附性能和结构，表明其具有良好的重复使用性，并且在外加盐或离子存在的情况下对吸附行为的影响微乎其微。除了去除染料外，该材料还表现出对大肠杆菌（Escherichia coli）的抑制作用，证实了其抗菌潜力。这种性能的提升归因于碳化姜黄素与石墨碳氮化物之间的协同效应，且无需添加任何金属成分。总体而言，所开发的C-Cur/gCN纳米复合材料为废水处理中的染料吸附和抗菌应用提供了一个环境友好且经济高效的平台。
引言
当前科学和技术的显著进步是工业化和城市化的结果。生活水平的提高与生态环境的恶化同步发生，尤其是水、空气、土壤等关键组成部分受到污染。这对人类在可持续环境中的生存构成了直接威胁。本文主要关注由制药、化妆品、生物医学、纺织、皮革、造纸等行业以及家庭活动产生的有机染料对淡水的污染问题。全球每年有约10,000种染料被生产出来，总量达到7×10^5吨[1]。纺织、食品、制药/化妆品等行业对这些染料的需求很大，进一步加剧了环境压力[2][3]。其中，亚甲蓝（MB）是排放到开放水域中的主要有机污染物之一，对水源造成了严重污染。亚甲蓝的过度使用会导致过敏、精神障碍、眼睛损伤等健康问题[5]，其毒性高且难以生物降解，会在水中长期存在，从而破坏水生生态平衡，降低光线穿透率和氧气含量。此外，废水中的亚甲蓝还会产生致癌胺类物质，对人类健康有害[6]。在2025年，随着清洁水源的短缺，需要一种可持续且可靠的治理方法，如吸附或光降解技术。
传统的废水处理方法（如混凝、絮凝、高级氧化工艺）由于运行成本高、无法在分子层面完全去除染料以及会引发二次污染等问题，其可持续性有限。因此，吸附技术因其操作简便、可重复使用性和高去除效率而成为经济高效且环保的染料去除方法[7][8]。研究人员开发了多种吸附剂，如活性炭[9]、金属有机框架[10]、金属氧化物[11]、沸石[12]、地质聚合物[13]、石墨碳氮化物[15]等，这些吸附剂被证明能有效去除废水中的有机染料。理想的吸附剂应具有高表面积、多孔结构以及对有机污染物的良好亲和性[16][17]，从而实现水质提升。
根据可持续发展目标（SDG）中关于清洁水和卫生（SDG目标6）[18]以及负担得起的清洁能源（SDG目标7）[19]的要求，我们专注于开发高效的吸附材料以去除受污染水中的有机污染物。无金属吸附剂在去除有机污染物方面具有优势。我们选择使用石墨碳氮化物（gCN）进行废水处理，因为它具有无金属的特性。gCN是一种由s-三嗪或s-庚嗪单元与三级或二级氨基官能团组成的二维材料[2]。gCN具有高达600°C的热稳定性，耐弱酸或碱，具有π共轭结构和新颖的电子特性以及高表面积[4]，使其成为去除有机染料的理想选择。gCN能够形成三维多孔结构、二维纳米片层、一维纳米棒或零维量子点等多种形态[2]，使其成为废水净化的理想材料。近年来，无金属石墨碳氮化物因独特的π共轭结构、高氮含量和活跃的表面化学性质而在废水处理领域受到广泛关注。将吸附与基于gCN的光催化降解相结合，为快速捕获污染物提供了可持续策略[20][21]，并在可见光照射下实现矿物化[22][23][24]。
除了吸附性能外，gCN在带隙优化、氧化还原潜力等方面也有广泛应用，使其可作为光催化剂用于水分解[25]和烃类氧化[26]。然而，gCN的某些固有局限性（如吸附能力较低、表面官能团有限[27]）促使人们开发gCN复合材料。为了制备无金属吸附剂，人们尝试将碳化形式的天然成分（如草药、植物根、叶、种子、花、茎等）结合到gCN框架中。本研究中，通过将碳化姜黄素（C-Cur）功能化到gCN上，实现了材料性能的提升。姜黄素含有羟基和甲氧基等官能团[28]，其与gCN结合可能改变电荷相互作用，提高孔隙率和表面活性位点数量。
本研究合成的碳化姜黄素基gCN（C-Cur-gCN）复合材料是一种无金属、经济高效、环境友好的材料，对亚甲蓝具有优异的吸附性能和抗菌能力，是一种新型的无金属吸附剂。这些发现有助于实现对抗典型革兰氏阴性菌大肠杆菌（Escherichia coli）的水污染可持续治理。
部分内容摘要
化学物质
分析级尿素（CH4N2O，98%）购自Sd Fine Pvt. Ltd.；纯姜黄素（批号-NCE/292014）由Sunpure Extracts Pvt. Ltd.提供；整个合成过程中使用了三次蒸馏水。大肠杆菌（E. coli）的实验由昌迪加尔旁遮普大学微生物学系提供。
gCN的合成
纯石墨碳氮化物材料是通过尿素的热聚合反应合成的。
X射线衍射（XRD）研究
图2(a)展示了纯石墨碳氮化物（gCN）和碳化姜黄素掺杂gCN复合材料的XRD图谱，2θ范围为10至50°。纯gCN的两个特征峰分别位于2θ=12.9°和27.5°，证实了其晶体结构。2θ=12.9°的峰对应于平面内的s-三嗪单元和(100)晶面，层间距约为0.6857纳米。
结论
总之，成功开发出一种高效的无金属吸附剂，基于碳化姜黄素掺杂的石墨碳氮化物（C-Cur/gCN）剥落纳米片层。优化后的5% C-Cur/gCN纳米复合材料表现出优异的结构和物理化学性质，能够快速高效地吸附染料，并对大肠杆菌具有显著的抗菌活性。该材料在10分钟内实现了88.65%的吸附效率，远高于其他材料。
作者贡献声明
拉金德·辛格（Rajender Singh）： 负责撰写、审稿与编辑、验证、项目监督、数据管理及概念构思。
阿努杰·库马尔（Anuj Kumar）： 负责初稿撰写、实验研究及数据分析。
普尔纳·阿特里（Prerna Attri）： 数据可视化处理、数据分析及概念构思。
拉梅什·库马尔·夏尔马（Ramesh Kumar Sharma）： 数据验证、项目监督及资源协调。
甘加·拉姆·乔杜里（Ganga Ram Chaudhary）： 数据验证、项目监督及概念构思。
利益冲突声明
作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢旁遮普大学CIL/SAIF部门提供的各种分析设备，包括XRD、FESEM、HRTEM、BET、XPS等，用于样品分析。
拉金德·辛格博士（Dr. Rajender Singh） 是昌迪加尔旁遮普大学的高级科学官员，负责SAIF/CIL先进分析仪器设施的工作。他拥有物理学硕士学位和博士学位，专注于聚合物和半导体材料的合成、表征与分析研究。他的研究主要集中在纳米材料及其在光催化和环境修复中的应用方面。辛格博士已发表约15篇学术论文。
