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硝基芳香化合物和偶氮染料等有机物作为重要工业原料被广泛应用，但进入环境后会对水体环境和人类健康造成严重危害。污水中的这类有毒有机污染物难以被微生物直接矿化，通常需要先还原转化成容易矿化处理且毒性较低的还原产物。因此，化学及生物还原转化成为处理水体中这类难降解有机污染物的重要技术手段。然而，这类有机污染物还原降解的动力学过程通常较为缓慢。近年来，研究发现环境功能碳材料可以强化水体中难降解有机污染物的还原转化。然而，对环境功能碳材料介导的难降解有机污染物的化学及生物还原转化机理及相应的调控机制缺乏深入的认识。本论文针对环境功能碳材料介导有机污染物化学及生物还原转化的关键科学问题，探讨了环境功能碳材料对有机污染物化学及生物还原转化的强化机理，解析了相应的调控机制。论文的研究结果不仅可以为污水中难降解有机物污染物的强化处理提供科学依据，而且对环境功能碳材料在水体污染物去除和环境修复方向的应用具有重要的指导意义。论文的主要研究内容和结果如下:
1.碳材料介导硫化物还原偶氮染料的强化机理。考察了碳纳米管、生物炭和石墨烯等不同种类环境功能碳材料强化硫化物还原偶氮染料的可行性，研究了反应过程中的活性中间产物，解析了碳材料强化硫化物还原偶氮染料的作用机理。研究发现，硫化物还原偶氮染料脱色过程存在反应缓慢的延滞期阶段和降解快速的快速反应阶段。其中，所有环境功能碳材料的加入均可以有效的缩短偶氮染料脱色反应的延滞期时间长度。例如，100mg L-1碳纳米管加入之后反应延滞期时间从64.32±7.04min缩短到13.31±6.05min。然而，碳材料加入并没有明显加快快速反应阶段的反应速率。相关表征和分析表明，碳材料表面的含氧官能团可以促进硫化物与偶氮染料之间反应的电子传递过程，进而促进活性中间产物多硫化物（主要是二硫化物和三硫化物）快速积累到达临界浓度并引发偶氮染料脱色过程进入快速反应阶段。
2.氦掺杂石墨烯中不同形态氮原子调控硫化物还原偶氮染料的机制。探究了氮掺杂石墨烯强化硫化物还原偶氮染料的可行性，研究了氮掺杂石墨烯表面不同形态氮原子相对含量与碳材料催化活性之间的关系，解析了氮掺杂石墨烯调控硫化物还原偶氮染料的机制。结果表明，氮掺杂可以提升石墨烯催化硫化物还原偶氮染料的活性。其中，10mg L-1原始的还原氧化石墨烯加入后相应的反应延滞期时间为23.17±2.16min，而10mg L-11000℃条件下热解制备的氮掺杂石墨烯加入后反应延滞期时间缩短到了0.54±0.56min。此外，提高氮掺杂石墨烯的热解温度可以进一步提升氮掺杂石墨烯的催化活性。而且，氮掺杂石墨烯的催化活性与其表面的石墨氮相对含量之间存在明显的正相关关系。此外，多硫化物检测结果表明氮掺杂石墨烯加入有利于多硫化物的快速生成和积累。密度泛函理论(DFT)计算和相关实验结果表明，硫化物最容易与氮掺杂石墨烯中的石墨氮结构结合，结合之后石墨氮优良的电导率可以促进硫化物与偶氮染料之间的电子传递过程并促进活性中间产物多硫化物的累积生成;多硫化物积累到一定浓度使得脱色过程进入快速反应阶段直至偶氮染料降解完成。
3.生物炭强化厌氧混合微生物还原硝基苯的机制。研究了生物炭强化厌氧混菌体系还原硝基苯的可行性及机理，考察了生物炭含量和电子供体浓度等不同条件对硝基苯厌氧还原过程的影响，探索了生物炭的长期加入对厌氧微生物还原降解硝基苯的稳定性及微生物群落的影响。短期实验结果发现，1.0g L-1生物炭加入后硝基苯厌氧降解的伪一级动力学速率常数提升近4倍，从1.9×10-2h-1提高到6.4×10-2h-1。机理解析表明，这可能是由于生物炭可以吸附硝基苯并活化其分子中的N-O键，同时生物炭表面的含氧官能团会促进厌氧微生物和硝基苯分子之间反应的电子传递过程。生物炭剂量、葡萄糖浓度和反应温度提升会对生物炭协助硝基苯厌氧生物降解过程起促进作用，而硝基苯初始浓度、钠离子和氨根离子浓度提升则会对生物炭协助的硝基苯厌氧生物降解过程起抑制作用。长期实验结果表明生物炭加入能够提升硝基苯厌氧还原体系长期运行的稳定性。这可能是因为生物炭不仅可以通过吸附硝基苯来缓解其对厌氧微生物的毒害作用，而且还能够富集与硝基苯还原相关的微生物和电活性微生物。
4.碳纳米管强化偶氮染料化学及生物还原降解的构效关系。研究了8种不同分子结构偶氮染料的化学及生物还原降解过程，探索了偶氮染料在电池装置中的脱色情况以及偶氮染料的循环伏安谱图，通过偶氮染料分子前线轨道能量建立了偶氮染料还原降解的构效关系。结果表明，吸电子基团距离偶氮键位置越近则偶氮染料还原脱色速率越快，而斥电子基团距离偶氮键越近则会减慢偶氮染料的还原脱色速率。100mg L-1碳纳米管加入会一定程度提升偶氮染料的还原脱色速率，但没有改变偶氮染料取代基性质与其反应平均反应速率大小之间的规律。另外，偶氮染料能够在电池装置中还原降解表明电子供体或还原剂与偶氮染料之间的电子传递过程在偶氮染料化学及生物还原降解过程中起着重要的作用。此外，偶氮染料循环伏安谱图中对应于偶氮键还原的还原峰峰电势数值与偶氮染料化学降解平均反应速率之间存在正相关关系。在以上结果的基础上建立了偶氮染料前线分子轨道能量与其化学及生物还原降解之间的构效关系。
1.碳材料介导硫化物还原偶氮染料的强化机理。考察了碳纳米管、生物炭和石墨烯等不同种类环境功能碳材料强化硫化物还原偶氮染料的可行性，研究了反应过程中的活性中间产物，解析了碳材料强化硫化物还原偶氮染料的作用机理。研究发现，硫化物还原偶氮染料脱色过程存在反应缓慢的延滞期阶段和降解快速的快速反应阶段。其中，所有环境功能碳材料的加入均可以有效的缩短偶氮染料脱色反应的延滞期时间长度。例如，100mg L-1碳纳米管加入之后反应延滞期时间从64.32±7.04min缩短到13.31±6.05min。然而，碳材料加入并没有明显加快快速反应阶段的反应速率。相关表征和分析表明，碳材料表面的含氧官能团可以促进硫化物与偶氮染料之间反应的电子传递过程，进而促进活性中间产物多硫化物（主要是二硫化物和三硫化物）快速积累到达临界浓度并引发偶氮染料脱色过程进入快速反应阶段。
2.氦掺杂石墨烯中不同形态氮原子调控硫化物还原偶氮染料的机制。探究了氮掺杂石墨烯强化硫化物还原偶氮染料的可行性，研究了氮掺杂石墨烯表面不同形态氮原子相对含量与碳材料催化活性之间的关系，解析了氮掺杂石墨烯调控硫化物还原偶氮染料的机制。结果表明，氮掺杂可以提升石墨烯催化硫化物还原偶氮染料的活性。其中，10mg L-1原始的还原氧化石墨烯加入后相应的反应延滞期时间为23.17±2.16min，而10mg L-11000℃条件下热解制备的氮掺杂石墨烯加入后反应延滞期时间缩短到了0.54±0.56min。此外，提高氮掺杂石墨烯的热解温度可以进一步提升氮掺杂石墨烯的催化活性。而且，氮掺杂石墨烯的催化活性与其表面的石墨氮相对含量之间存在明显的正相关关系。此外，多硫化物检测结果表明氮掺杂石墨烯加入有利于多硫化物的快速生成和积累。密度泛函理论(DFT)计算和相关实验结果表明，硫化物最容易与氮掺杂石墨烯中的石墨氮结构结合，结合之后石墨氮优良的电导率可以促进硫化物与偶氮染料之间的电子传递过程并促进活性中间产物多硫化物的累积生成;多硫化物积累到一定浓度使得脱色过程进入快速反应阶段直至偶氮染料降解完成。
3.生物炭强化厌氧混合微生物还原硝基苯的机制。研究了生物炭强化厌氧混菌体系还原硝基苯的可行性及机理，考察了生物炭含量和电子供体浓度等不同条件对硝基苯厌氧还原过程的影响，探索了生物炭的长期加入对厌氧微生物还原降解硝基苯的稳定性及微生物群落的影响。短期实验结果发现，1.0g L-1生物炭加入后硝基苯厌氧降解的伪一级动力学速率常数提升近4倍，从1.9×10-2h-1提高到6.4×10-2h-1。机理解析表明，这可能是由于生物炭可以吸附硝基苯并活化其分子中的N-O键，同时生物炭表面的含氧官能团会促进厌氧微生物和硝基苯分子之间反应的电子传递过程。生物炭剂量、葡萄糖浓度和反应温度提升会对生物炭协助硝基苯厌氧生物降解过程起促进作用，而硝基苯初始浓度、钠离子和氨根离子浓度提升则会对生物炭协助的硝基苯厌氧生物降解过程起抑制作用。长期实验结果表明生物炭加入能够提升硝基苯厌氧还原体系长期运行的稳定性。这可能是因为生物炭不仅可以通过吸附硝基苯来缓解其对厌氧微生物的毒害作用，而且还能够富集与硝基苯还原相关的微生物和电活性微生物。
4.碳纳米管强化偶氮染料化学及生物还原降解的构效关系。研究了8种不同分子结构偶氮染料的化学及生物还原降解过程，探索了偶氮染料在电池装置中的脱色情况以及偶氮染料的循环伏安谱图，通过偶氮染料分子前线轨道能量建立了偶氮染料还原降解的构效关系。结果表明，吸电子基团距离偶氮键位置越近则偶氮染料还原脱色速率越快，而斥电子基团距离偶氮键越近则会减慢偶氮染料的还原脱色速率。100mg L-1碳纳米管加入会一定程度提升偶氮染料的还原脱色速率，但没有改变偶氮染料取代基性质与其反应平均反应速率大小之间的规律。另外，偶氮染料能够在电池装置中还原降解表明电子供体或还原剂与偶氮染料之间的电子传递过程在偶氮染料化学及生物还原降解过程中起着重要的作用。此外，偶氮染料循环伏安谱图中对应于偶氮键还原的还原峰峰电势数值与偶氮染料化学降解平均反应速率之间存在正相关关系。在以上结果的基础上建立了偶氮染料前线分子轨道能量与其化学及生物还原降解之间的构效关系。