【摘 要】
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近几十年来,随着新的化学物质不断被引入环境,难降解有机物造成的水污染日益成为一个具有挑战性的多学科问题。抗生素类污染物由于排放量大和极难降解成为急需解决的问题,选择一种高效安全的去除方法具有重要意义。对基于过一硫酸盐(Peroxymonosulfate,PMS)的类芬顿(Fenton)反应被认为用于污水中的抗生素类去除具有很大的潜力。但是,对于常用的过渡金属类催化剂存在较小的p H适用范围以及金属
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近几十年来,随着新的化学物质不断被引入环境,难降解有机物造成的水污染日益成为一个具有挑战性的多学科问题。抗生素类污染物由于排放量大和极难降解成为急需解决的问题,选择一种高效安全的去除方法具有重要意义。对基于过一硫酸盐(Peroxymonosulfate,PMS)的类芬顿(Fenton)反应被认为用于污水中的抗生素类去除具有很大的潜力。但是,对于常用的过渡金属类催化剂存在较小的p H适用范围以及金属离子流失问题。所以开发一种应对此类问题的催化剂非常重要。碳材料由于它独特的物理化学和结构性质,与金属材料相结合衍生的纳米复合材料已经被广泛应用。而且碳材料能够有效地活化PMS应用在类Fenton降解中,这种新型氧化体系可以引导自由基途径和非自由基途径共同作用,并且通过将过渡金属封装在碳层中来调节碳的电子状态,可以有效促进降解性能。本文通过模板法制备了Fe、Co、N共掺杂的中空碳胶囊(Fe/Co-NCHCs),并以抗生素类的四环素(TC)为降解底物,探究该催化剂活化PMS的降解影响因素和可能机理,评价其催化性能。通过SEM、TEM、XRD、FT-IR、Raman和XPS对Fe/Co-NCHCs的形貌和结构进行了表征,表明样品的合成成功以及Fe、Co、N的掺杂情况。进一步分析表明,Fe和Co元素的引入改变了N掺杂中空碳胶囊的化学结构和组成。Fe、Co、N共掺杂的中空碳胶囊存在较多的缺陷,使其具有较好的催化性能。XPS结果表明,Fe/Co-NCHCs中吡啶N、石墨N、sp~2-C和C=O等活性位点的含量最高,所以在Fe/Co-NCHCs活化PMS降解TC中会得到不错的效果。在Fe/Co-NCHCs/PMS体系降解TC的不断实验后,得到反应体系中的最优条件参数。热力学研究表明,TC的降解是一个低活化能、吸热、熵增加、非自发的过程。为了探究催化机理,进行了自由基猝灭实验、电子顺磁共振测试和电化学测试,认为TC的降解主要是以单线态氧引导的非自由基途径进行的,同时电子的转移也起到重要作用。通过催化剂循环实验,在40 min内,第5次循环的降解效率仍能达到80.7%。证明了Fe/Co-NCHCs具有良好的循环稳定性。通过液相色谱-质谱联用对TC可能的降解中间体进行了推导,证明了TC可以通过一系列反应转化小分子物质。
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