摘要
基于过硫酸盐的高级氧化技术对有机污染物反应效率高，矿化能力强，能够有效降解水体中有机污染物实现污染水体的高效修复。开发能够高效活化过硫酸盐的催化剂一直是相关领域的研究热点。研究表明，金属基催化剂普遍存在离子浸出导致的二次污染问题。碳材料环境友好，并且凭借其比表面积大、氧官能团丰富、易于改性等自身优势在活化过硫酸盐中表现出巨大潜力。更重要的是，碳材料结构稳定，还可作为催化材料载体应用于过硫酸盐活化领域。因此，本文以碳材料为基础，设计合成了绿色高效的三维碳基催化剂，并将其用于活化过硫酸盐的高级氧化技术中。主要研究成果如下： （1）首先在碱性条件下引发正硅酸乙酯（TEOS）的水解使其不断释放SiO2初级粒子，SiO2初级粒子通过均匀成核自组装形成SiO2核心粒子。然后利用聚多巴胺单体（DA）和二氧化硅（SiO2）初级粒子在SiO2核心颗粒上的原位共聚合成了核壳结构的SiO2@PDA复合颗粒，经高温煅烧和模板刻蚀，制备氮掺杂中空多孔碳材料（NHPC）。结合动力学分析与多种表征手段，探究了结构缺陷、sp2杂化碳、氧官能团和三种典型的N键构型（吡啶N，吡咯N，石墨N）等因素对双酚A（BPA）降解性能的影响。实验结果表明，BPA的反应速率常数与石墨N含量呈线性相关，因此石墨N是主要的催化活性中心。同时，简单的热处理有利于重塑石墨N，是此类催化剂再生的有效方法。 （2）利用聚多巴胺（PDA）对金属离子的螯合作用，在DA和SiO2初级粒子（由TEOS水解而来）在SiO2核心颗粒上的原位共聚时，加入适量的金属前驱体合成了均匀包裹SiO2的Fe3+–聚多巴胺复合物（SiO2@PDA-Fe3+），后经高温煅烧和模板刻蚀，制备了在氮掺杂中空介孔碳球上负载Fe单原子催化剂。通过活化过硫酸盐降解BPA反应评价其催化性能，结果表明得益于Fe-N4位点和催化材料的优异结构（大比表面积和均匀的介孔结构），低金属负载量下（0.16wt%）的Fe-NCHMCS的TOF高达55.4min–1。同时，单个Fe原子的引入调节了将反应活性位点由石墨N调节至Fe-N4，进一步改变了PMS激活途径（自由基途径→非自由基途径）。非自由基介导的PMS活化使得Fe-NCHMCS/PMS体系对无机阴离子表现出显著的抗性，并在选择性降解酚类污染物方面表现优异性能。
NETL