項(xiàng)目名稱：納米材料的水處理器件化方法及其應(yīng)用基礎(chǔ)研究首席科學(xué)家：郭良宏 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心起止年限：2010.9至2015.9依托部門：中國科學(xué)院二、預(yù)期目標(biāo)1、總體目標(biāo)針對(duì)我國現(xiàn)行水凈化工藝中PTS無法去除的難點(diǎn)問題，利用納米材料高吸附容量和高反應(yīng)活性等獨(dú)特性質(zhì)，探索納米材料在水污染治理應(yīng)用中的新方法和新原理，建立具有明確水處理功能的納米材料和器件的制備方法和性能評(píng)價(jià)體系，揭示納米材料的界面過程、構(gòu)效關(guān)系和調(diào)控原理，發(fā)展用于水中PTS去除、集污染物吸附-降解功能于一體的納米材料和器件。力爭在水污染控制的基礎(chǔ)理論和應(yīng)用兩個(gè)方面取得具有國際影響的創(chuàng)新成果，為提升我國水污染控制的技術(shù)水平和環(huán)保產(chǎn)業(yè)的國際競爭力做出貢獻(xiàn)，促進(jìn)納米科學(xué)與環(huán)境、材料、化學(xué)、生物、物理、信息學(xué)等多學(xué)科的交叉融合發(fā)展。通過項(xiàng)目的執(zhí)行，培養(yǎng)和造就一批高水平的交叉學(xué)科人才和幾個(gè)研究團(tuán)隊(duì)。2、五年預(yù)期目標(biāo)（1）方法與原理：建立針對(duì)水中持久性有毒污染物去除、吸附-降解功能一體化的納米材料的制備改性方法，闡明納米材料的環(huán)境界面過程、污染物凈化機(jī)理和聯(lián)合毒性機(jī)制。（2）技術(shù)：發(fā)展基于納米材料的飲用水、污水高效率深度凈化處理技術(shù)，建立水處理納米材料的器件化技術(shù)。（3）應(yīng)用：研制飲用水、污水深度凈化處理的納米器件和設(shè)備，進(jìn)行示范性應(yīng)用試驗(yàn)。（4）成果：在國內(nèi)外核心刊物發(fā)表論文170篇，其中SCI收錄論文120篇，包括國際相關(guān)領(lǐng)域具有重要影響論文20-30篇，申請(qǐng)國家發(fā)明專利20項(xiàng)。（5）人才、隊(duì)伍培養(yǎng)：促進(jìn)我國納米科學(xué)與環(huán)境、化學(xué)、材料、生物、物理等學(xué)科的交叉融合，培養(yǎng)80名研究生和博士后，造就一批在納米環(huán)境領(lǐng)域有影響的中青年專家，形成高水平的研究群體。三、研究方案1、學(xué)術(shù)思路本申請(qǐng)項(xiàng)目以解決我國飲用水安全和水污染問題為目標(biāo)，以納米科學(xué)的前沿研究成果為基礎(chǔ)，集中國內(nèi)納米、環(huán)境、化學(xué)等學(xué)科的優(yōu)勢力量，開展多學(xué)科交叉的前沿性研究。以水處理功能納米材料制備界面過程構(gòu)效關(guān)系PTS高效去除為主線，以具有吸附-降解多重功能的納米材料與器件為重點(diǎn)，從以下四個(gè)層面開展項(xiàng)目的研究：(1) 在方法學(xué)層面，發(fā)展水處理功能納米材料的合成、表面修飾和功能調(diào)控方法，建立水處理納米器件的設(shè)計(jì)制備方法。(2) 在理論研究層面，闡明吸附/脫附、光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移、氧化還原等固/液界面反應(yīng)機(jī)理，污染物凈化機(jī)制，吸附-氧化還原、吸附-光催化協(xié)同機(jī)理，納米材料與水處理性能之間的構(gòu)效關(guān)系，水處理納米材料與化學(xué)污染物聯(lián)合毒性的分子機(jī)制。(3) 在水處理應(yīng)用層面，發(fā)展高吸附容量、高降解效率的水處理功能納米材料，構(gòu)筑具有吸附-降解多重功能的納米材料與器件，進(jìn)行飲用水和污水中PTS凈化處理的示范。2、技術(shù)途徑本項(xiàng)目將重點(diǎn)研究集PTS吸附、降解功能于一體的納米材料與器件的設(shè)計(jì)原理、組裝技術(shù)、示范演示及其生物安全性。根據(jù)上述學(xué)術(shù)思路，項(xiàng)目按照以下技術(shù)途徑開展工作：第一，針對(duì)水中PTS濃度低、難降解的特點(diǎn)，在前期國內(nèi)外研究工作的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)、制備、改進(jìn)各種功能化納米材料。這部分工作的重點(diǎn)，是針對(duì)特定的目標(biāo)污染物，對(duì)現(xiàn)有納米材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造和表面修飾。對(duì)于吸附材料，主要采用碳納米管、介孔碳、核殼結(jié)構(gòu)磁性納米顆粒等材料，利用多聚糖、海藻酸、核酸等天然物質(zhì)進(jìn)行表面修飾，提高納米吸附材料的吸附容量、吸附強(qiáng)度和吸附選擇性。對(duì)于納米催化材料，主要采用碳納米管、金剛石等導(dǎo)電材料和TiO2、Fe2O3等半導(dǎo)體材料，通過硅烷化、靜電吸附、層層自組裝、聚合物包覆等表面修飾手段，增強(qiáng)納米光電材料的反應(yīng)活性和反應(yīng)選擇性，提高納米材料在水中的穩(wěn)定性和抗環(huán)境介質(zhì)干擾能力。第二，利用表面等離子體共振、電化學(xué)石英晶體微天平等實(shí)時(shí)、現(xiàn)場檢測技術(shù)，研究第一部分工作制備的各種功能化納米材料的界面吸附/脫附過程；以各種電化學(xué)技術(shù)（包括光譜電化學(xué)、光電化學(xué)）和皮秒級(jí)時(shí)間分辨熒光等光學(xué)技術(shù)，研究光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移、氧化還原等固/液界面電子轉(zhuǎn)移過程。根據(jù)研究獲得的界面反應(yīng)機(jī)理信息，重新進(jìn)行納米材料的結(jié)構(gòu)改造和表面修飾，進(jìn)一步提高材料的功能。這部分工作的重點(diǎn)是研究目標(biāo)污染物的各種界面過程，特別是污染物在實(shí)際環(huán)境介質(zhì)中的界面過程，為研究納米材料的污染凈化機(jī)制和性能調(diào)控方法打下基礎(chǔ)。第三，將第二部分研究的功能納米材料復(fù)合化、一體化、器件化，用于水中PTS的治理。利用碳納米材料吸附能力強(qiáng)、導(dǎo)電性好的特性，制備具有吸附-電化學(xué)催化雙重功能的大面積碳納米電極，實(shí)現(xiàn)對(duì)氯代有機(jī)物的電化學(xué)還原脫氯分解；制備有序碳納米管、有序金剛石電極，降低接觸電阻，提高電化學(xué)反應(yīng)效率；組裝碳納米材料分離膜，實(shí)現(xiàn)污染物的超濾或微濾膜分離與電化學(xué)降解一體化；在光活性或非光活性的載體上，均勻分散納米光催化劑，構(gòu)建吸附-光催化功能一體化器件，實(shí)現(xiàn)氯代有機(jī)物的礦化降解；制備碳納米管-TiO2同軸異質(zhì)結(jié)和碳納米墻-TiO2異質(zhì)結(jié)陣列材料，制備TiO2-BDD(硼摻雜金剛石)疊層異質(zhì)結(jié)光催化劑，提高光生電荷的分離能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)還原性污染物和氧化性污染物的同步氧化和還原凈化。基于第二部分有關(guān)界面過程的工作，研究功能化納米器件的PTS凈化機(jī)理以及污染物吸附-催化降解耦合協(xié)同機(jī)制。這一部分工作的重點(diǎn)，是設(shè)計(jì)、構(gòu)建集吸附-催化降解功能于一體的水處理納米器件，并進(jìn)行應(yīng)用示范。第四，在利用納米材料的獨(dú)特性質(zhì)進(jìn)行水污染處理的同時(shí)，也需要考慮它們潛在的生態(tài)健康風(fēng)險(xiǎn)。雖然為了防患于未然，本項(xiàng)目使用的納米材料都牢固地附著在水處理器件的基質(zhì)材料上，但在長時(shí)間使用后，仍然有可能脫離流失，進(jìn)入水體。因此，需要研究水處理功能納米材料的毒性毒理。采用活體動(dòng)物模型，研究納米材料的體內(nèi)吸收、分布和代謝過程以及活體毒性；采用特定的細(xì)胞模型，研究納米材料的免疫、生殖發(fā)育、神經(jīng)等功能性毒性；研究納米材料與具有關(guān)鍵生物功能的蛋白質(zhì)、酶、核酸之間的相互作用，探討毒性效應(yīng)的分子機(jī)制。這一部分工作的重點(diǎn)，是研究第三部分水處理器件中使用的納米材料以及這些材料與水中化學(xué)污染物的共存體系的毒性毒理。3、項(xiàng)目的技術(shù)途徑如圖所示： 四、年度計(jì)劃研究內(nèi)容預(yù)期目標(biāo)第一年(1) 分別研究具有吸附分離、光催化降解、電化學(xué)分解等功能的納米材料的制備合成方法，研究納米材料的尺寸、形貌、化學(xué)組成、晶體結(jié)構(gòu)與吸附、光催化、電化學(xué)氧化還原等反應(yīng)的相互關(guān)系，探索納米材料的低成本、宏量制備技術(shù)，考察納米材料在各種水體中的穩(wěn)定性。(2) 研究碳納米材料電極的制備方法、修飾與改性方法、電化學(xué)性能表征；基于碳納米材料的超濾膜/微濾膜的制備與組裝方法及其水處理性能表征方法研究。(3) 研究氧化鈦的材料改性及其光電催化性能。采用氟化物、磷酸鹽、氧化鐵納米粒子修飾氧化鈦表面，研究它們對(duì)催化劑吸附和光催化降解性能的影響。研究稀土金屬離子的摻雜方法和基本參數(shù)對(duì)氧化鈦結(jié)構(gòu)和光催化性能的影響。(4) 利用現(xiàn)代分子生物學(xué)及細(xì)胞生物學(xué)方法，結(jié)合先進(jìn)的激光譜學(xué)技術(shù)及生物成像分析方法，采用熒光重組細(xì)菌中重組質(zhì)粒為pGFPuv-Sigma、含有熱休克蛋白轉(zhuǎn)錄因子32的啟動(dòng)子，建立重組熒光細(xì)胞報(bào)告體系，為環(huán)境納米材料生物效應(yīng)的研究提供評(píng)價(jià)體系。（1）確定幾種吸附或催化性能好、制備成本低、穩(wěn)定性高的納米吸附、催化材料。（2）篩選出適應(yīng)于水處理的碳納米材料的類型、規(guī)格，建立預(yù)處理方法及程序；初步建立碳納米材料電極的制備/組裝方法；初步建立碳納米材料及其修飾的超濾/微濾膜的制備與組裝方法及其表征方法。（3）獲取鈦基半導(dǎo)體的吸附和光催化性隨其表面氟化和體相稀土摻雜之間的變化關(guān)系。（4）成功構(gòu)建生物效應(yīng)評(píng)價(jià)體系，驗(yàn)證評(píng)價(jià)體系的正確性及靈敏度。（5）發(fā)表研究論文24篇，其中SCI論文17篇，申請(qǐng)專利3項(xiàng)，培養(yǎng)研究生13名。第二年（1） 針對(duì)特定的目標(biāo)污染物，研究納米材料的表面修飾、材料改性與性能調(diào)控方法。利用各種表面修飾方法，提高納米材料對(duì)目標(biāo)污染物的吸附容量和選擇性，保護(hù)光電納米材料的污染物降解能力，改善納米材料的分散性；增強(qiáng)納米材料在水環(huán)境中的穩(wěn)定性和抗環(huán)境介質(zhì)干擾的能力。（2） 研究不同類型及規(guī)格的碳納米材料電極對(duì)水中典型有毒污染物的吸附；研究基于不同方法制備的碳納米材料電極對(duì)典型污染物的氧化或還原特征；考察與評(píng)價(jià)在受控條件下，基于碳納米材料或修飾的超濾/微濾膜的水通量、截留率。（3） 研究氧化鈦在各種載體上的負(fù)載方法和負(fù)載量等制備參數(shù)，研究其結(jié)構(gòu)形貌、吸附性能和光催化性能。研究氧化鎢和氧化鐵的可見光光催化活性，采用納米金屬及其氧化物修飾半導(dǎo)體表面的改性方法，以及采用電化學(xué)氟化修飾半導(dǎo)體表面的改性方法。（4） 利用激光技術(shù)、成像方法及核磁、質(zhì)譜等多種手段，研究環(huán)境納米材料對(duì)具有特殊結(jié)構(gòu)與功能的蛋白質(zhì)靶分子的相互作用，探討納米材料對(duì)蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的影響及作用方式，包括對(duì)與人類衰老和腫瘤發(fā)生密切相關(guān)的端粒酶活性的影響，和對(duì)細(xì)胞周期蛋白如癌癥早期診斷標(biāo)志物Cyclin A表達(dá)的影響。 （1）確定幾種納米吸附材料和納米催化材料的表面修飾方法。（2）探明污染物在碳納米材料上吸附的機(jī)理及污染物結(jié)構(gòu)與吸附性能間的規(guī)律；探明碳納米材料在水處理中的應(yīng)用特征。（3）獲取載體的性質(zhì)對(duì)光催化劑分散、穩(wěn)定性、吸附和光催化降解有機(jī)物的影響因素，篩選并獲得至少一種高效、穩(wěn)定的光催化劑。（4）闡明納米材料對(duì)蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的影響及作用方式，對(duì)端粒酶活性的影響，以及對(duì)Cyclin A表達(dá)的影響。（5）發(fā)表研究論文31篇，其中SCI論文24篇，申請(qǐng)專利3項(xiàng)，培養(yǎng)研究生16名。第三年（1） 研究PTS在表面修飾納米材料上的光催化反應(yīng)和電化學(xué)氧化還原反應(yīng)，研究污染物在表面修飾納米材料上的吸附、脫附過程及其微觀機(jī)制，研究納米材料與水環(huán)境介質(zhì)的作用機(jī)理，探索納米材料環(huán)境界面過程的熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)模型，為調(diào)控納米材料的界面過程并提高污染物治理效果提供理論依據(jù)。（2） 研究碳納米材料對(duì)水中PTS吸附的增強(qiáng)化方法；研究碳納米材料電極對(duì)PTS分解的影響因素與調(diào)控方法; 研究在光/電作用下碳納米材料超濾膜/微濾膜的水處理性能及其功能表征方法、功能增強(qiáng)化原理。（3） 設(shè)計(jì)和建造能同時(shí)利用紫外光和可見光的新型光催化反應(yīng)器，考察反應(yīng)器的吸附性能、光催化性能及其穩(wěn)定性；研究層狀無機(jī)氧化物光活性和非光活性載體對(duì)水中有機(jī)物吸附和光催化降解的影響；研究助催化劑氧化鈷、氧化鎳修飾的鈦基、鐵基納米結(jié)構(gòu)光催化劑及其對(duì)PTS光氧化效率的影響。（4） 設(shè)計(jì)制備氨基化、羥基化、羧基化等不同表面修飾功能化的納米材料，選擇具有特殊結(jié)構(gòu)和功能的核酸分子包括單股、雙股、三股及四股螺旋DNA，RNA，DNA-RNA雜化體等，研究它們的相互識(shí)別與相互作用機(jī)制，以及納米材料對(duì)核酸的選擇性損傷效應(yīng)。 （1）建立研究納米材料表面吸附和界面催化反應(yīng)的方法與技術(shù)，闡明界面過程與納米材料表面的構(gòu)效關(guān)系。（2）建立碳納米材料吸附水中毒性污染物的增強(qiáng)化方法、揭示其增強(qiáng)化機(jī)理。識(shí)別碳納米電極對(duì)水中毒性污染物分解的主要影響因素，建立調(diào)控方法。探明光/電作用下基于碳納米材料及其修飾超濾/微濾膜對(duì)毒性污染物的截留特性及原理。（3）獲得新型光催化反應(yīng)器實(shí)際運(yùn)行的效果。獲得高效、穩(wěn)定的助催化劑修飾的鈦基和鐵基光催化劑。（4）獲得納米材料表面性質(zhì)對(duì)材料與核酸分子相互作用的影響，闡明作用的分子機(jī)制。（5）發(fā)表研究論文37篇，其中SCI論文27篇，申請(qǐng)專利4項(xiàng)，培養(yǎng)研究生17名。 第四年（1） 研究具有PTS吸附-降解多種功能的單一納米材料的制備合成方法；研究具有PTS吸附-降解多種功能的復(fù)合納米材料的制備合成方法；研究污染物吸附/脫附過程與界面電子反應(yīng)的耦合效應(yīng)、協(xié)同機(jī)制及其構(gòu)效關(guān)系。（2） 研究碳納米電極的在線或離線再生方法，考察再生后吸附材料的性能變化、評(píng)價(jià)再生方法；考察納米電極對(duì)PTS分解性能的穩(wěn)定性；研制碳納米材料超濾/微濾膜組件和水處理反應(yīng)器裝置，考察組件在光/電輔助作用下綜合水處理性能。（3） 優(yōu)化載體、半導(dǎo)體表面修飾、可見光光敏劑負(fù)載化、助催化劑等影響因子，改進(jìn)光反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)和集成模式；研究外加電場對(duì)納米結(jié)構(gòu)催化劑光生電荷復(fù)合、界面轉(zhuǎn)移速率的影響，以及對(duì)污染物的吸附、脫附和光電催化降解的影響。（4） 研究環(huán)境納米材料/PTS的混合物和復(fù)合物對(duì)具有特殊結(jié)構(gòu)和功能的蛋白質(zhì)分子和核酸分子的作用機(jī)制，考察重要基因表達(dá)、蛋白折疊等生物效應(yīng)；研究環(huán)境納米材料與PTS降解中間產(chǎn)物形成的混合物和復(fù)合物的生物效應(yīng)和潛在毒性。（1）發(fā)現(xiàn)幾種具有PTS吸附-降解多種功能的單一或復(fù)合納米材料；揭示污染物吸附/脫附過程與界面電子反應(yīng)的耦合效應(yīng)、協(xié)同機(jī)制及其構(gòu)效關(guān)系。（2）建立納米吸附材料的在線或離線再生方法；探明納米電極穩(wěn)定性，建立性能恢復(fù)方法；建立納米材料超濾/微濾膜組件和水處理系統(tǒng)，探明其水處理穩(wěn)定性。（3）揭示助催化劑修飾后光生載流子動(dòng)力學(xué)行為和規(guī)律，建立催化劑的界面結(jié)構(gòu)、光生載流子動(dòng)力學(xué)參數(shù)與光催化性能之間的關(guān)系。通過外加電場顯著提高納米催化劑的效率。（4）在分子水平揭示碳納米材料/PTS的混合物和復(fù)合物對(duì)蛋白折疊酶活性的作用機(jī)制。（5）發(fā)表研究論文40篇，其中SCI論文27篇，申請(qǐng)專利5項(xiàng)，培養(yǎng)研究生17名。第五年（1） 針對(duì)示范實(shí)驗(yàn)體系，研究目標(biāo)污染物在納米器件中納米材料上的界面過程、污染物的凈化效率；優(yōu)化納米材料的設(shè)計(jì)合成和表面修飾，提高污染物的凈化效率。（2） 研究納米吸附材料對(duì)地表水中微量PTS的吸附規(guī)律及特征，考察吸附-再生循環(huán)處理效率；制備大面積納米材料電極，考察飲用水或廢水中污染物的吸附、氧化還原分解效率及其實(shí)用性；考察納米材料超濾膜/微濾膜對(duì)地表水的處理性能，評(píng)價(jià)長期處理的穩(wěn)定性和有效性。（3） 篩選幾種吸附容量大、催化活性高的復(fù)合光催化劑，選擇光催化和光電催化模式，改造光反應(yīng)器，考察幾種實(shí)際廢水的處理效果，核算運(yùn)行成本。（4） 利用生化技術(shù)、核磁共振、質(zhì)譜和模式識(shí)別方法，對(duì)生物體液和組織進(jìn)行系統(tǒng)的測量和分析，對(duì)完整生物體內(nèi)隨時(shí)間改變的代謝物進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤檢測、定量和分類；將這些信息與毒理學(xué)指標(biāo)相關(guān)聯(lián)，建立評(píng)價(jià)環(huán)境納米材料毒性和安全性的動(dòng)物體技術(shù)平臺(tái)。（1）獲得納米材料及其水處理器件(或組件)對(duì)水中毒性污染物的吸附、電化學(xué)分解、過濾等性能和水處理過程中實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性等綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。（2）獲得具有成本低、吸附量大和光（電）催化活性高的新型納米材料，展示新型器件化光反應(yīng)器的優(yōu)越性，總結(jié)納米復(fù)合材料的制備方法和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)吸附和光（電）催化氧化水中有機(jī)物的影響規(guī)律。（3）總結(jié)并提出納米復(fù)合污染物對(duì)重要基因及蛋白的作用機(jī)制，發(fā)現(xiàn)相關(guān)的生物代謝標(biāo)志物。（4）發(fā)表研究論文38篇，其中SCI論文25篇，申請(qǐng)專利5項(xiàng)，培養(yǎng)研究生17名。一、研究內(nèi)容持久性有毒污染物(Persistent Toxic Substances, PTS)是一類在環(huán)境中難降解，可遠(yuǎn)距離傳輸，并隨食物鏈在動(dòng)物和人體中累積、放大，具有致癌、致畸、致突變和內(nèi)分泌干擾效應(yīng)的污染物。如上所述，目前通用的廢水處理工藝（混凝、沉淀、生物氧化）和深度凈化技術(shù)（活性炭吸附、臭氧-活性炭聯(lián)用、膜處理）都無法有效去除水中存在的PTS。在過去幾年里，國內(nèi)外研究人員圍繞納米吸附材料、納米催化和氧化還原材料的制備、性質(zhì)表征及應(yīng)用，開展了一些研究工作，為納米材料在環(huán)境治理中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。本項(xiàng)目將以水中PTS（氯代乙酸、多氯酚、多氯聯(lián)苯等）的高效、低成本去除降解為目標(biāo)，重點(diǎn)研究集PTS吸附、降解功能于一體的納米材料與器件的設(shè)計(jì)原理、組裝技術(shù)、演示示范及其生物安全性。1、擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問題（1）納米材料在水凈化條件下的界面過程及構(gòu)效關(guān)系納米材料在水凈化條件下的表面吸附、光/電催化等界面過程與機(jī)理，界面過程與納米材料的構(gòu)效關(guān)系，納米材料表面修飾對(duì)其界面反應(yīng)的調(diào)控機(jī)制。（2）物理吸附與化學(xué)降解一體化的納米材料的制備和器件化方法基于吸附/光電催化分解/過濾原理的納米材料水處理器件化方法和原理，水處理器件對(duì)去除水中持久性有毒物質(zhì)的耦合作用機(jī)制及關(guān)鍵因子的調(diào)控方法。（3）水處理納米材料與化學(xué)污染物的聯(lián)合毒性效應(yīng)納米材料與水中持久性有毒污染物及分解產(chǎn)物形成的混合物和復(fù)合物的聯(lián)合毒性效應(yīng)，以及對(duì)生物機(jī)體共同作用的信號(hào)通路和分子機(jī)制。2、主要研究內(nèi)容（1）水處理功能納米材料的合成、修飾與改性以提高納米材料對(duì)PTS的吸附容量和可回收性為目的，研究孔徑可控、孔道有序的介孔碳材料、介孔碳/磁性金屬氧化物復(fù)合材料的制備方法。以提高PTS高級(jí)氧化-還原降解性能為目的，研究碳納米管、金剛石和納米氧化物等導(dǎo)體和半導(dǎo)體納米材料的低成本制備方法。利用多聚糖、海藻酸、核酸等天然物質(zhì)，研究納米吸附材料的表面修飾和改性方法，改善材料的水溶性，提高吸附容量及其對(duì)PTS的選擇性結(jié)合。利用硅烷化、靜電吸附、層層自組裝、聚合物包覆等手段，研究納米光電材料的表面修飾方法，提高納米材料對(duì)目標(biāo)污染物降解的效率和特異性，增強(qiáng)納米材料在水環(huán)境中的穩(wěn)定性和抗環(huán)境介質(zhì)干擾的能力。研究吸附-降解復(fù)合功能納米材料的設(shè)計(jì)原理及其制備合成方法，探索納米材料的低成本、宏量制備技術(shù)。（2）納米材料的環(huán)境界面過程與反應(yīng)機(jī)理研究利用高分辨電鏡、XPS、XRD、紅外光譜等各種表面分析方法，表征環(huán)境納米材料的尺寸、形貌、晶體成分與結(jié)構(gòu)以及表面成分與結(jié)構(gòu)在水體中的時(shí)間變化趨勢。發(fā)展激光拉曼、原位紅外、皮秒級(jí)時(shí)間分辨熒光、光譜電化學(xué)以及表面等離子體共振等各種界面測定方法，研究PTS在納米材料上的吸附/脫附過程、光催化反應(yīng)、電化學(xué)氧化還原反應(yīng)；考察污染物在納米材料表面的吸附量和吸附/脫附速率及其與表面成分和結(jié)構(gòu)的關(guān)系，探究光催化、電化學(xué)反應(yīng)中電子界面轉(zhuǎn)移的微觀機(jī)制、與其它過程的耦合及其與材料成分和結(jié)構(gòu)的關(guān)系，建立各種界面反應(yīng)的熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)模型，探索納米材料結(jié)構(gòu)-界面過程-PTS去除三者之間的構(gòu)效關(guān)系，為調(diào)控納米材料的界面過程并提高PTS的治理效果提供理論依據(jù)。研究納米材料與水環(huán)境中廣泛存在的天然物質(zhì)之間的作用機(jī)理，以及復(fù)雜水體因素對(duì)各個(gè)界面過程的影響。（3）去除水中PTS的吸附-降解一體化納米材料與器件的研究以氯代乙酸、多氯酚、多氯聯(lián)苯等鹵代有機(jī)物為代表，針對(duì)水中PTS濃度低和難降解的特征，設(shè)計(jì)和構(gòu)造具有高吸附量和高降解效率雙重功能的新型納米材料和器件。建立用于電化學(xué)還原脫鹵解毒的大面積納米碳電極的制備和組裝方法，研究飲用水或?qū)嶋H廢水中鹵代有機(jī)物電催化還原脫鹵的過程機(jī)制，考察動(dòng)態(tài)脫鹵效率、影響處理效率的關(guān)鍵環(huán)境影響因素及其調(diào)控方法，評(píng)價(jià)其經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性和穩(wěn)定性。研究具有電化學(xué)功能的納米碳材料分離膜(超濾或微濾膜)的制備和水處理性能，建立超濾(或微濾)膜基體的選擇方法和原則、納米碳材料在基體上的組裝方法、過濾孔的形成和調(diào)控方法，研究外加電場下污染物的截留、吸附和電化學(xué)催化分解等多重功能的耦合機(jī)理，考察在動(dòng)態(tài)條件下納米碳材料分離膜對(duì)污染物的去除效率、處理穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。發(fā)展和構(gòu)建新型鈦基、鐵基、雜多酸和金屬酞菁類納米光催化劑，篩選高吸附容量、高分散性、低成本的催化劑載體，研究目標(biāo)污染物光降解的機(jī)理、產(chǎn)物分布和礦化率，探求分步吸附-光催化降解與同步吸附-光催化降解之間的差異和規(guī)律。在上述工作基礎(chǔ)上，建立水中PTS吸附-降解復(fù)合功能納米材料的器件化技術(shù)，完成水處理的實(shí)驗(yàn)室示范裝置。（4）水處理納米材料的生物效應(yīng)與毒性機(jī)制研究以納米材料的環(huán)境暴露-生物學(xué)效應(yīng)-人體健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)為主線，探討納米材料在水處理過程中對(duì)環(huán)境生物與人體的潛在暴露途徑；根據(jù)納米材料可能存在的暴露方式，采用上皮細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、血液細(xì)胞等不同類型的離體細(xì)胞模型，通過實(shí)時(shí)細(xì)胞電阻分析（RT-CES）、流式細(xì)胞儀等技術(shù)觀察納米材料的細(xì)胞生物學(xué)效應(yīng)。利用代謝組學(xué)方法，研究納米材料、目標(biāo)污染物、凈化過程中間體及降解產(chǎn)物在動(dòng)物體內(nèi)的代謝產(chǎn)物。采用重組質(zhì)粒為pGFPuv-Sigma、含有熱休克蛋白轉(zhuǎn)錄因子32的啟動(dòng)子，構(gòu)建基于GFPuv綠色熒光蛋白基因的重組熒光細(xì)胞報(bào)告體系，評(píng)估納米材料與PTS的混合物和復(fù)合物的聯(lián)合毒性效應(yīng)和毒性機(jī)理。通過相關(guān)蛋白、基因等分子生物標(biāo)志物的分析，揭示納米材料在生物體內(nèi)產(chǎn)生作用的信號(hào)通路。研究納米材料與端粒酶、細(xì)胞周期調(diào)節(jié)因子cyclin A等重要功能蛋白的相互作用，研究納米材料與具有特殊結(jié)構(gòu)與功能的核酸分子的相互作用，探討結(jié)構(gòu)改變對(duì)生物分子功能的負(fù)面效應(yīng)，探索納米材料生物學(xué)效應(yīng)的分子作用機(jī)制，評(píng)價(jià)納米材料在水處理過程中對(duì)生態(tài)與人體健康的潛在危害。