2017年7月27日上午9：30，Georgia Tech的Communication Department的记者采访了Sally、郑玫教授和北大的两名同学，希望更多地了解佐治亚-北大的暑期项目，我们很高兴该项目得到Georgia Tech校方的关注和支持。今天的授课主要是环境工程方面的内容。
讲座内容5
上午由Georgia Tech的谢兴老师(Xing Xie)授课，首先他进行了简单的自我介绍，谢老师在清华大学获得了学士(2006)和硕士(2008)学位，而后在斯坦福大学获得土木与环境工程的博士学位(2014)和材料科学的硕士学位(2012)，博士毕业后在加州理工大学做博士后(2014-1017)，目前是Georgia Tech的助理教授。
讲座主题为“Innovative Materials and Devices for Sustainable and Reliable Water and Energy”。目前世界范围内可持续和可依赖的水资源和能源仍然短缺，同时各种环境问题频发，如何在不损害环境的同时获得可持续和可依赖的水资源和能源成为关注热点。本次讲座中介绍的研究即希望有助于解决这一问题。
1.用于可持续的水资源和能源的电化学装置(Electrochemical devices for sustainable water and energy)
在微生物燃料电池中，电子通过有机物传递到微生物再到电极。细胞外电子转移有3种途径：直接膜接触(direct membrane contact)、电子介体(electron mediators)和微生物纳米线(microbial nanowires)。
图1 微生物燃料电池中的电子传递
图2 微生物燃料电池
微生物电极是微生物燃料电池中的重要组成部分，需要满足5种条件：导电、稳定(包括化学和生物稳定性)、生物相容、多孔结构和高亲和的电极表面。其中，多孔结构可以容纳更多用于电子转移的微生物。高亲和的电极表面可以使得电子传输更高效。
他们的研究在许多方面进行了改进，首先合成了新的阳极材料(CNT-textile)，相比于Carbon cloth，生物电极的表面积增加、电极表面亲和性更高。CNT-textile的进一步发展还包括CNT-sponge、Graphene-sponge和Crinkling CNT等。
同时在系统上也进行了改进。在旧的系统中，传统的微生物燃料电池需要离子交换膜，一定程度上降低了电荷转换效率。另外，由于微生物生长对于环境条件要求较严格，如过酸或过碱的环境都会影响微生物的生长进而影响生物电极，因此微生物燃料电池的操作受到限制。另外对水电解池也进行了改进，传统水电解池由于气体扩散，降低了生成H2的纯度，同时由于H2的易燃性，与O2的混合可能引发安全问题。针对以上问题，他们使用了新型的两步系统加以改进。
通过改进的系统，微生物燃料电池的电荷转换效率从11%提高到82%，能量转换效率从4%提高到30%。在水电解池中，改进的系统可以避免O2的净生成，从而提高H2的纯度以及安全性。
2.Off-the-grid water purification and microbial monitoring
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纳米辅助水消毒
基于新型纳米线电穿孔消毒技术，利用纳米线的空间尺度效应，在较低外接电压下于纳米线尖端附近产生强电场对细菌进行电穿孔杀灭。传统电穿孔需要施加几千伏的电压，纳米增强电穿孔只需施加几伏的电压。
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便携式微生物检测系统
他们还开发了微生物检测系统，包括便携性、在线、离网(off the grid)、高效、快速、易操作和便宜等特点。使用SAP(super-absorbent polymer)富集样品，具有成本低、操作简单快速和低能量等优点。
图3 使用高吸收性聚合物(SAP)小球(图中黄色小球)富集样品
图4 谢兴老师与北大师生的合影
同学们在Tech Square与谢兴老师一起用餐，并进行热切愉快的交流，午餐结束后开始下午的学习。
讲座内容5
下午的讲座由我校校友刘文老师带来。刘文老师本科就读于南开大学，于2009年获得环境工程学士学位。博士师从倪晋仁院士就读于北京大学，于2014年获得环境工程博士学位。之后先后在美国Auburn University的Dongye Zhao教授组和Georgia Institute of Technology的Ching-Hua Huang教授组从事博士后研究，并将于今年9月回北京大学任职(研究员)。刘老师的主要研究领域为环境纳米技术、水治理理论与技术。
刘老师为我们作了题为“Titanium-Based Nanomaterials for Environmental Clean-Up: The Past, Present and Future”的报告，全面介绍了钛系纳米材料在环境修复中的应用。
首先，刘老师简要介绍了纳米材料的基本概念。所谓纳米材料是指三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-1000 nm)或者由该尺度范围的物质为基本结构单元所构成的材料的总称。纳米尺寸的物质具有与宏观物质不同的表面和界面效应、小尺寸效应、宏观量子隧道效应及量子限域效应，因而具有异于普通材料的光学、电学、热学、力学和机械性能，从而备受关注。应用于环境修复中的纳米材料的种类繁多，而他的研究集中于钛系纳米材料，主要包括纳米TiO2和纳米钛酸盐两类。其中，TiO2纳米颗粒被广泛应用于光催化领域；而纳米钛酸盐的代表，钛酸纳米管(Titanate Nanotubes，TNTs)，由于其优异的离子交换性能和很大的比表面积而在吸附领域备受青睐。钛系纳米材料的环境应用研究近20年来发展迅速，但一些关键性科学问题仍有待进一步解决。
图5 TNTs结构示意图
接下来刘老师重点讲解了TNTs在水污染治理中的应用，包括水体重金属去除、水体有机物降解和材料加成高级氧化三个方面。金属离子的吸附去除方面，在对48种金属离子的吸附进行集成研究和系统总结后，得出了TNTs对不同金属离子的四种吸附机理。分别为对重金属阳离子(如铅、镉、汞、铀238等)的离子交换作用，对重金属酸根阴离子(如六价铬、五价砷等)的静电吸引作用，对易水解金属离子(如剧毒重金属铊、贵金属钯等)的共沉淀作用，以及对易于与羟基络合的金属离子(如三价砷、三价金、四价铂等)的表面络合作用。另外，刘老师还总结了决定不同金属在TNTs上吸附机理和吸附量的内在原因，并称该工作可以为同类纳米材料与金属离子的相互作用研究提供参照。
图6 TNTs不同吸附机理图
图7 各金属离子在TNTs上的吸附机理
接着介绍了活性炭负载TNTs(TNTs@AC)在水体有机物的去除方面的应用。由于TNTs是无机材料，对金属有较好的吸附去除作用，但对有机物作用甚微。但新型复合材料TNTs@AC对多种有机物，如多环芳烃(PAHs)、内分泌干扰物(EDCs)、药物及个人护理品(PPCPs)、染料、石油烃和天然有机质等，都有很好的去除效果。对于该材料，可以通过预吸附作用对有机污染物进行浓缩，进而通过光催化实验有机物的完全降解，同时达到材料再生的目的。另外，刘老师还介绍了TNTs复合材料在加成高级氧化中的应用。以第三代饮用水消毒技术为背景，阐述了相关钛基材料在激发过氧乙酸(PAA)方面的最新研究成果。并指明，相比于传统氯消毒工艺，PAA的使用可大大降低消毒副产物(DBPs)的生成，且材料的使用可促使PAA裂解产生自由基以提高消毒效率。
其后，刘老师总结说明了钛纳米材料在环境应用中的优势。钛系纳米材料及其改性和复合材料可以实现环境介质中重金属与有机污染物的去除，另外材料合成方便，便宜低耗，且易于回收利用，环境友好。另外各纯钛材料之间也以在特定条件下相互转化、重组再利用，可以形成良好的“钛循环”。最后，展望了钛系纳米材料在环境领域应用研究的未来发展趋势，应包括新材料定向设计与可控生长、特定环境介质中的应用及纳米材料环境行为与毒理三个方面。
图8 Ti纳米材料的循环
图9 刘文老师与郑玫教授、王荣婧老师及同学们的合影
下午，我们与在Georgia Tech的校友Dr. Yi Deng热切交流。邓老师2000年毕业于北京大学，获得大气科学学士学位，2003年在University of Illinois获得硕士学位，2005年在University of Illinois获得大气科学博士学位，目前是Georgia Tech地球与大气科学系的Associate Professor。邓老师简单介绍了自己的工作经历和目前的研究内容，并就未来规划和在美国的学习生活等方面给予了同学们很好的建议。
图10 邓老师与北大师生合影
实验室参观
下午我们还参观了Ching-Hua Huang(黄清華)教授的水环境化学实验室，黄老师的博士生Wan-Ning Lee(李婉寜)学姐为我们做了仔细的介绍。
首先我们来到的是有机实验室，该实验室主要进行有机样品的前处理实验，如样品的萃取和浓缩。李学姐还介绍了目前自己正在研究的消毒副产物在蔬果中的残留实验，以及新型饮用水替代剂过氧乙酸的应用实验(图14)。随后我们来到无机实验室，该实验室主要做粉煤灰的淋滤以及煤灰中稀有金属的再回收实验。
然后我们参观了仪器分析室，有多种水处理方面的相关仪器，李学姐为我们详细介绍了仪器原理、适宜分析的污染物和目前正在承担的测样工作。
最后我们参观了佐治亚理工水环境本科生教学实验室，这里配有常规基础分析仪器如紫外-可见分光光度计等供本科生演示实验，实验室干净整洁，井井有条。
图11 Wan-Ning Lee学姐介绍萃取方法
结束实验室的参观后，刘文老师带我们参观了Georgia Tech标志性建筑之一Georgia Tower，随后带我们在Atwoods Pizza店里共进晚餐。幽默风趣的刘老师和同学们就美国的科研与生活进行了分享，晚餐弥漫着欢乐的气氛。