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环境学院“污染物环境行为与污染控制”团队在高级氧化技术净化水体领域取得新进展

 近期,我校环境学院“污染物环境行为与污染控制”团队与南京大学闫世成教授合作,研究过渡金属氧化物在活化过硫酸盐降解水体污染物中的催化机理,揭示活性位点的晶体学空间配位结构与催化活性的关联,为开发高效金属基催化材料提供设计新思路,相关研究成果以“Understanding spatial effects of tetrahedral and octahedral cobalt cations on peroxymonosulfate activation for efficient pollution degradation”为题发表于环境领域国际顶级期刊Applied Catalysis B: Environmental《应用催化B:环境》上(Appl. Catal. B: Environ. 2021, 291, 120072,),期刊影响因子为16.683。

过硫酸盐活化是近年来水体净化、污染物去除领域广受关注的一种高级氧化技术。其工作原理主要基于过硫酸盐(PMS或PDS)分子中过氧键断裂引发链式反应,产生过硫酸根自由基(SO4•−)、羟基自由基(•OH)、超氧自由基(O2•−)和单线态氧(1O2)等含氧物种。相较于传统的污染物处理方法,该技术利用过硫酸盐活化过程中产生高活性物种降解目标物,具有氧化能力强(2.5 ~ 3.1 V vs. NHE)、溶液环境适应范围广、反应选择性高以及经济成本低等优势。然而,过硫酸盐中过氧键断裂能高达140~213.3 kJ mol-1,超声、紫外、光催化和热催化等活化方式能量消耗严重,速率快能耗低的均相催化途径又面临活性金属流失、水体二次污染等问题。因此,开发高效稳定的非均相催化剂、深刻理解反应机理有利于改善活化过硫酸盐净化水体的实际效能。

鉴于反应活性位点的空间构型对催化剂的电子结构和催化活性至关重要,该研究采用非活性阳离子置换策略,探讨过渡金属反应位点的空间占位与催化活性之间的关系。以典型的钴氧化物Co3O4为模型,通过Al3+和Zn2+替换而分别制得仅含有四面体钴位点(Co2+Td)的CoAl2O4和八面体钴位点(Co3+Oh)的ZnAl2O4。以多种染料和酚类为目标污染物的降解实验表明,八面体催化位点对PMS的本征催化活性优于四面体位点。此外,系统的电化学测试和自由基猝灭实验揭示,活性位点所受的晶格束缚及其价态转变难易度是决定本征活化性能的关键,而不同配位构型集合造成的催化剂电子结构(尤其是费米能级Fermi Level)差异亦对反应催化活性具有重要影响。此项研究聚焦催化剂与溶液之间复杂固-液非均相界面的理化特性,从热力学和动力学两方面阐释过硫酸盐活化性能的制约因素。

本文第一作者为环境学院青年教师徐哲博士,2019级硕博连读生武怡洁重点参与了该项工作,通讯作者为环境学院何欢教授和南京大学现代工程与应用科学学院闫世成教授。本工作还得到了南京大学物理学院邹志刚院士的悉心指导,以及江苏省自然科学基金(BK20190713)、江苏省高等学校自然科学基金(19KJB430027)、江苏省六大人才高峰计划(JNHB-059)和国家自然科学基金(52002187,21777067,51908293)等项目的资助,特此致谢!

  • 更新时间

    2021年03月06日 21:19

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  • 供稿

    环境学院

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