【摘 要】
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水体中内分泌干扰物(EDCs)对生态安全及人类健康具有严重威胁,因此其去除技术是当前环境领域的研究热点。基于过一硫酸盐(PMS)的高级氧化技术已被证明为有效的EDCs去除技术,但其应用效率、抗干扰性以及稳定性仍需进一步提升。单原子催化剂具有最大化的原子利用率以及优异的催化性能,成为近年来活化PMS的优选材料。本文设计制备了氮掺杂碳载单原子钴催化剂ZIF-8@67-C,并用于高效活化PMS降解水中典
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水体中内分泌干扰物(EDCs)对生态安全及人类健康具有严重威胁,因此其去除技术是当前环境领域的研究热点。基于过一硫酸盐(PMS)的高级氧化技术已被证明为有效的EDCs去除技术,但其应用效率、抗干扰性以及稳定性仍需进一步提升。单原子催化剂具有最大化的原子利用率以及优异的催化性能,成为近年来活化PMS的优选材料。本文设计制备了氮掺杂碳载单原子钴催化剂ZIF-8@67-C,并用于高效活化PMS降解水中典型EDCs双酚A(BPA)。基于污染物降解规律、催化剂结构演变以及作用过程理论计算,解析了催化剂结构与污染物降解性能之间的构效关系,阐明了催化反应活性中心、PMS活化途径以及BPA降解的主导作用机制。主要研究发现包括:(1)优化调控了前驱体结构、煅烧温度、金属配比等关键参数,以ZIF-8@67为前驱体、煅烧温度为950℃、Co(NO3)2·6H2O用量为0.1 mol时,可成功制备氮掺杂碳载单原子钴催化剂ZIF-8@67-C。独特的中空结构、表面锚定的碳纳米管以及丰富的单原子钴位点,赋予其优良导电性能与高密度催化位点,且其饱和磁化强度达27.77 emu/g,具有明显的铁磁性,因而利于活化、便于回用。(2)系统分析了ZIF-8@67-C用量、PMS用量、BPA初始浓度、溶液p H、反应温度、共存无机阴离子以及腐殖酸(HA)等多种因素对BPA降解特性的影响规律。在最优化条件下(催化剂与PMS用量均为0.10 g/L),20 mg/L的BPA在4 min内降解率即可高达96.63%,且ZIF-8@67-C剂量归一化速率常数高达92.90 L/(min?g),相比同类报道高出1-2个数量级。在广泛p H与温度范围内,几乎不受无机阴离子及HA干扰,BPA降解率可稳定在90%以上,表明其广泛适用性。进一步使用20 mg催化剂构建了连续流柱催化装置,对于5 mg/L的BPA模拟废水,以1 m L/min的流速可完全处理17.56 L废水中的BPA,稳定运行约12 d,进一步证明其可行性与先进性。(3)结合活性物种淬灭实验、电子自旋共振波谱测试以及电化学表征等手段,证明BPA降解过程并非受活性氧物种主导,而是遵循直接电子转移机制。钴单原子掩蔽实验显示SCN-对催化反应具有近乎完全的抑制作用,证明单原子钴位点作为催化活性中心。密度泛函理论计算结果进一步揭示其Co N4位点具有最高活性,可通过络合PMS激发内建电场,建立“BPA→催化剂→PMS”电子传输通路,从而实现BPA的高效降解。采用液相色谱-质谱与气相色谱-质谱联用技术,分析BPA降解中间产物,推断其快速分解主要包括羟基化、β断链、开环及氧化四个过程。综上,本文成功设计制备新型氮掺杂碳载单原子钴催化剂ZIF-8@67-C,可充分发挥其碳基载体高导电性以及单原子钴高催化活性等优点,通过直接电子转移机制实现BPA的快速降解。总体上,ZIF-8@67-C具有高效、抗干扰以及可回收等诸多优点,可为单原子催化剂的创新开发及实际应用提供理论指导与技术支撑。
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