顆粒在線訊：催化臭氧氧化是深度去除廢水中有機污染物的有效方法，但其界面催化機理尚不明確。近日，中國科學(xué)院過程工程研究所研究員曹宏斌團隊開發(fā)了一系列石墨相氮化碳負載鈷、錳、鎳過渡金屬的單原子催化劑，加速臭氧（O3）分解并產(chǎn)生高活性的羥基自由基（·OH）?；诿芏确汉碚撃M和原位X射線吸收光譜，研究提出了單原子界面活化臭氧過程中中間產(chǎn)物吸附構(gòu)型對·OH與污染物反應(yīng)區(qū)間的影響。相關(guān)研究成果發(fā)表在Environmental Science & Technology上。 

　　有機廢水污染威脅人類健康和生態(tài)平衡，高效削減外排廢水中難降解有機物成為當(dāng)前水污染治理面臨的重大技術(shù)需求?；谠簧傻膹娧趸浴H，催化臭氧氧化可去除工業(yè)廢水中難降解有機污染物，催化活性位點的性質(zhì)決定O3活化的效率、產(chǎn)生·OH和其他活性氧的機理和動力學(xué)。目前，活性位點如何與O3作用以及·OH生成路徑存在爭議，限制了高效催化劑的開發(fā)與設(shè)計。此外，在水處理應(yīng)用中，調(diào)控催化劑表面或本體溶液中的·OH反應(yīng)區(qū)間可減少自由基無效猝滅，但決定·OH攻擊污染物反應(yīng)區(qū)間的催化劑確切性質(zhì)仍然未知。 

　　科研團隊探究了一系列氮化碳負載單原子催化劑M1-C3N4（M=Co、Mn、Ni）活化臭氧的機理。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，MN4位點上·OH生成的主要路徑是O3→ Oads→ *OO→ ·O3- → ·OH，而M1-C3N4降解草酸的催化活性為Co1-C3N4>Mn1-C3N4>Ni1-C3N4。其中，Ni1-C3N4活性最低，與活性位點上后續(xù)中間產(chǎn)物的低活性有關(guān)。Mn1-C3N4上氧結(jié)合能更高，因而中間產(chǎn)物*OO在金屬原子上以Griffiths構(gòu)型吸附。這種雙Mn-O鍵導(dǎo)致Mn位點形成飽和配位，因此·OH主要在水溶液中攻擊有機物。對CoN4位點而言，*OO在金屬Co上的吸附以Pauling構(gòu)型（單Co-O鍵），不飽和配位的Co位點允許污染物的進一步吸附，故·OH對草酸攻擊可同時發(fā)生在Co1-C3N4表面和主體水溶液中，這是其催化臭氧氧化性能優(yōu)于Mn1-C3N4的原因。

　　研究工作得到國家自然科學(xué)基金和釩鈦資源綜合利用國家重點實驗室的支持。 

不同MN4位點上O3活化中間產(chǎn)物吸附構(gòu)型及相應(yīng)的·OH氧化區(qū)間

來源：過程工程研究所