摘要
近年来，越来越多的污染物排放到环境中，这些污染物中大多数即使在微量的浓度下也具有难降解性和较强的毒性，无法使用常规的生物法或物理法进行深度处理，已对人类身体健康和生态系统安全构成了较大的威胁。类Fenton氧化工艺被认为是解决这一难题最有效的技术之一，特别是对于高浓度、高毒性或难降解的有机污染物。类Fenton氧化工艺主要基于高活性物质(如·OH、·O2-和1O2等)的氧化性，促使目标污染物完全降解或转化成危害性较小的中间体。然而，由于类Fenton法中的氧化剂消耗量过大、催化剂溶解、活性物种寿命短(＜10ms)等缺点，导致类Fenton氧化法存在反应速率较低、二次污染、成本高等限制其发展的缺陷。通过合理设计催化剂，控制氧化反应在受限的纳米空间内发生时，可以在纳米限域效应的协同下实现对催化反应的精准调控，增大反应速率，提高反应活性。 本文主要以纳米限域效应为切入点，合理地设计并成功地制备了在限域空间内以铁基催化剂为主催化剂的复合催化剂，具有高效的活化氧化剂降解有机污染物的催化性能，具体研究内容如下: 1.设计并成功地制备了非接触式Fe2O3-Au@SiO2纳米复合材料，Fe2O3纳米线和Au纳米粒子以非接触的方式被包裹在SiO2壳中，并可精确控制Fe2O3和AuNPs的相对位置。Fe2O3-Au@SiO2作为催化剂可活化H2O2对2-CP、4-CP、环丙沙星、BPA等有机污染物具有较高的光Fenton降解活性。2-CP的降解率在15分钟内达到87％,反应速率常数为0.1029min-1,是没有空腔的Fe2O3-Au@SiO2催化剂3.2倍;同时，Fe2O3纳米线与AuNPs之间的距离为10nm时催化性能最佳。·OH、·O2-和h+是主要的活性物种。非接触式的Fe2O3-Au@SiO2通过AuNPs的LSPR效应和较高的光利用率大大提高了催化性能，在复杂和实际废水处理中具有较好的应用前景。 2.设计并合成将Fe0限制在碳纳米立方块(Fe0@C)中，作为一种高活性和高稳定性的催化剂，通过活化PMS完成对有机污染物的降解。聚多巴胺壳层包覆在普鲁士蓝表面，通过高温碳化还原处理得到了稳定且分散良好的碳立方体壳层包覆的零价铁纳米颗粒。由于被包裹的碳层为Fe0提供了一个密闭的空间，可以有效地防止Fe0颗粒的团聚和溶解，Fe0@C具有较大的比表面积，可为催化反应过程提供较多的活性位点，并促进了污染物的吸附和转移，大大提高了PMS活化降解有机污染物的催化活性，Fe0@C在5分钟内对BPA的降解率可达到100％,反应速率是Fe0的4.2倍，Fe0@C对多种污染物，如氯酚、环丙沙星、卡马西平、阿特拉津和磺胺甲恶唑等60分钟内的降解率均可达到90％以上。同时，该氧化反应机理主要由自由基(SO4·-,·O2-,·OH)氧化机理和非自由基(1O2)机理共同作用的，这项工作为零价金属催化剂的设计、合成与应用提供了新的方案与思路。
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