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固體所在單原子負(fù)載氮化碳高效降解抗生素研究方面取得新進(jìn)展

發(fā)布日期:2023-01-04 瀏覽次數(shù):821

近期,中科院合肥研究院固體所環(huán)境材料與污染控制研究部孔令濤研究員團(tuán)隊(duì)提出了一種在氮化碳納米片上錨定單原子的預(yù)組裝策略,制備出系列單原子負(fù)載氮化碳類芬頓催化劑并用于水中四環(huán)素污染物的降解,將催化活性提升了1-2個數(shù)量級。相關(guān)研究成果以“Preassembly strategy to anchor single atoms on carbon nitride layers achieving versatile Fenton-like catalysis”為題,發(fā)表在Separation and Purification Technology (Sep. Purif. Technol., 2022, DOI: 10.1016/j.seppur.2022.122955)上。      類芬頓是一種以自由基為主要活性物種的反應(yīng),H2O2和PMS(過硫酸鹽)是兩種常用的類芬頓氧化劑,由于兩者產(chǎn)生的自由基的半衰期短,利用效率低,因此可通過縮短自由基向污染物分子的遷移距離提高催化效率。目前,單原子材料已被證明對氧化劑具有較好的活化作用。氮化碳是一種二維富氮材料,其具有納米片結(jié)構(gòu)、可調(diào)節(jié)的比表面和較高的穩(wěn)定性,是一種很好的單原子催化劑支撐材料;同時,其豐富的氮元素可以為金屬離子的嵌入提供理想位點(diǎn),形成獨(dú)特的配位結(jié)構(gòu)和電子構(gòu)型。因此,將金屬原子固定在氮化碳納米片上,可將自由基限制在污染物附近,從而有效提高類芬頓催化效率。

鑒于此,研究人員提出了一種具有廣譜通用的熱解配位聚合預(yù)組裝策略,將單原子(如Cu、Fe、Co、Mn等)錨定在氮化碳納米片上,并證明了它們在類芬頓催化中的通用性。作為概念性驗(yàn)證,研究選擇單原子銅催化劑(SA-Cu-CN)作為四環(huán)素(TC)降解和機(jī)理闡述的模型材料。SA-Cu-CN的類芬頓催化活性相比于研究中使用的其他材料提高了1-2個數(shù)量級。EPR分析和淬滅實(shí)驗(yàn)表明該催化體系中?OH和SO4?-的生成對降解TC起著至關(guān)重要的作用。結(jié)合超高液相色譜-質(zhì)譜分析與DFT理論計算,對TC的降解路徑及產(chǎn)物毒性進(jìn)行了分析鑒定,SA-Cu-CN類芬頓催化劑顯示出對有機(jī)污染物的深度處理能力。此外,通過相同的制備方法合成了SA-Fe-CN、SA-Co-CN和SA-Mn-CN等系列單原子催化劑,均表現(xiàn)出較好的類芬頓催化活性。該研究對發(fā)展類芬頓催化劑及其在水處理領(lǐng)域的應(yīng)用具有十分重要意義。

上述工作得到了國家重點(diǎn)研究開發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、安徽省自然科學(xué)基金及合肥研究院院長基金等項(xiàng)目的資助。

文章鏈接:https://doi.org/10.1016/j.seppur.2022.122955


圖1. CN和SA-Cu-CN的形貌和結(jié)構(gòu)表征。


圖2. SA-Cu-CN的類芬頓催化性能探究。


圖3. 四環(huán)素降解的路徑分析以及其產(chǎn)物的鑒定和毒性評估。