过渡金属铁修饰被认为是一种提高碳基材料性能的有效方法，但铁改性及掺杂量改变对碳基材料结构的影响，以及分子层面的结合机制仍不明确。在本研究中，采用摩尔比为1:1、2:1、4:1和5:1的Fe(II)与Fe(III)作为改性剂，以氧化石墨烯（Graphene oxide，GO）和壳聚糖（Chitosan，CS）作为碳基基质材料，制备了一系列铁改性GOCS复合材料，分别命名为Fe^{(II, III)}GCs-1/1、2/1、4/1和5/1。系统地探究了Fe(II)与Fe(III)的掺杂比例（1:1、2:1、4:1 和5:1）对GOCS结构的影响，并通过光谱分析和密度泛函理论（DFT）计算确定了其结合机制，同时探索了其在环境领域的应用潜力。结果发现，不同Fe(II)/Fe(III)掺杂比例会极大地影响GOCS表面形成的铁物种，进而在不同程度上改变复合材料的晶体形貌、比表面积、热稳定性和磁性能。其中，当Fe(II)/Fe(III)的比例为1:1时，铁物种包括Fe₃O₄和γ-Fe₂O₃。当该比例超过1:1时，材料中的主要铁物种变为Fe₃O₄。Fe^{(II, III)}GCs-2/1的比表面积最大（44.96 m²/g），是GOCS（4.22 m²/g）的10.65倍。而Fe^{(II, III)}GCs-4/1的饱和磁化强度在所有铁改性GOCS复合材料中最大，为43.81 emu/g。光谱分析表明，将铁掺杂到GOCS中会极大地影响−COOH、−OH和−CONH−的强度与位置，以及Fe(III)和O−C=O/O−C−O等衍射峰的电子跃迁。密度泛函理论（DFT）计算结果显示，电子更容易从CS分子的最高占据分子轨道（供体）流向GO分子的最低未占据分子轨道（受体）。但掺杂的Fe改变了GOCS的电化学性质，并增加了GO与CS的结合能损失。当Fe(II)/Fe(III)低于2:1时，Fe(III)主要与GO相互作用；相反，Fe(III)主要与CS相互作用。主要的结合机制包括：GO的−COOH基团与CS的−NH₂基团之间的配位相互作用，形成共价键；Fe离子与带负电的离子（如COO⁻等）之间的静电引力，形成离子键；以及Fe与官能团中的配位原子（如O原子等）结合，形成配位键。GOCS通过形成共价键，对As(III)、四环素和亚甲基蓝的去除效率分别为6.62%、5.82%和0.87%。经过铁改性形成Fe^{(II, III)}GCs后，通过离子键和配位键的形成，污染物的去除效率可大幅提高。Fe^{(II, III)}GCs-4/1对As(III)和四环素的去除效率最高，分别为67.54%和60.62%，而Fe^{(II, III)}GCs-1/1对亚甲基蓝的去除效率最高，为10.51%。这表明铁的掺杂也提高了碳基材料在环境保护方面的应用效果，使其能够不同程度地去除污染物。此外，本研究为理解金属离子掺杂对复合材料性能的调控提供了理论基础，也为探索高性能GOCS聚合物材料在环境修复和药物载体等领域的应用奠定了基础。

该研究受到国家自然科学基金（No.42167026）和广西自然科学基金（2025GXNSFAA069806）的基金资助。

该成果发表在《International Journal of Biological Macromolecules》；文章链接：https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2025.144635。

摘要图

(一审：刘允全；二审：黄亮亮；三审：代武社)