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【学术科研】环能学院王崇臣教授团队付会芬副教授研究揭示氧空位的结构-催化性能-催化机理之间的构效关系

部门:科学技术发展研究院 供稿:科发院,教授团队 摄影:教授团队 审核:王万鹏,周理安 发布时间:2024-05-17 阅读次数:

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基于过一硫酸盐的高级氧化工艺(PMS-AOPs)因其在宽pH操作范围中具有较强的氧化能力而被广泛应用到水处理中,但仍存在一些瓶颈。因此,合理设计催化剂来提高催化活性,调控氧化途径,并建立相应的构效关系对实际废水的处理尤为重要。在众多催化剂中,Co3O4基金属氧化物在活化过硫酸盐时,具有较高的活性、选择性和稳定性。缺陷工程中的氧空位(OVs)已被证明不仅可以作为新的吸附位点,还能够有效地优化催化剂表面的电子结构从而调控催化活性,成为近年来的研究热点。与对称氧空位S-OVs相比,不对称氧空位As-OVs会导致电荷分布不均,更容易增强PMS分子的吸附和极化,从而提高PMS-AOPs的催化性能,然而其催化机理存在争议,且难以实现对特定氧化途径的精确调控,因此需要深入探究。

王崇臣教授团队基于葡萄糖辅助MOF热解的策略,分别制备了含有界面不对称氧空位(As-OVs)的OVs-ZnO/Co3O4催化剂和含有对称氧空位(S-OVs)的OVs-CoOx催化剂。实验及DFT理论计算详细揭示了As-OVs和S-OVs在PMS-AOPs中去除不同性质污染物时的不同催化行为,建立了氧空位的结构-催化性能-催化机理之间的构效关系。研究结果表明OVs-ZnO/Co3O4/PMS体系对于实际机场废水的COD去除率可达50%以上,具有较好的实际应用潜力。相关研究成果以“Insight into the extremely different catalytic behaviors of asymmetric and symmetric oxygen vacancies for peroxymonosulfateactivation”为题,发表于《Applied Catalysis B: Environment and Energy》。

论文标题和作者页

团队采用简单的室温静置法制备出ZnCo-ZIF前驱体,利用葡萄糖辅助热解策略制备出含有不对称Zn···OV···Co位点的OVs-ZnO/Co3O4催化剂,并通过EPR、XAS等多种表征方法进行验证。分别以富电子型污染物双酚A(BPA)和贫电子型污染物苯甲酸(BA)为目标污染物,通过催化性能实验、活性物质捕捉实验、ESR检测、预混合实验、i-t曲线以及Raman表征等方法对不同体系活化PMS去除污染物的效率和反应机理进行了探究。结果表明OVs-ZnO/Co3O4中的As-OVs分别通过介导电子转移途径(ETP)和自由基途径实现了富电子污染物BPA和贫电子污染物BA的超快去除(~ 1 min),催化性能远高于OVs-CoOx和OVs-ZnO中的对称氧空位(S-OVs)。实验及DFT计算表明PMS在As-OVs上具有“easy come, easy go”的催化行为,而在S-OVs上具有“easy come, not easy go”的催化行为。此外,OVs-ZnO/Co3O4还具有良好的可重复利用性、稳定性、抗干扰能力和低的生物毒性。OVs-ZnO/Co3O4/PMS体系对实际机场废水的COD去除率可达50%以上。该研究阐明了氧空位结构、PMS活化过程、目标污染物去除和氧化途径之间的关系,为合理设计能够精确控制有机污染物氧化途径的类Fenton催化剂提供了依据。基于上述结果,研究人员将能够通过定向构建具有As-OVs(Zn···OV···Co)的催化剂,建立具有按需选择性和可调氧化能力的PMS-AOPs系统,用于复杂水生环境中的有机净化。

氧空位结构、PMS活化过程、目标污染物去除和氧化途径之间的构效关系

北京建筑大学环能学院硕士研究生刘珊珊为论文第一作者,付会芬副教授和王崇臣教授为论文通讯作者,北京大学刘文研究员、北京建筑大学王鹏高级实验师、赵晨副教授、博士研究生王飞、硕士研究生魏羽玮、孟冰芯为论文共同作者。该研究得到了国家自然科学基金、北京市教育委员会科学研究计划、北京市属高等学校教师队伍建设支持计划、北京建筑大学金字塔人才工程培育计划、北京建筑大学研究生创新项目、北京建筑大学博士研究生科研能力提升项目的大力支持。

原文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S092633732400064X





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