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CEJ|N摻雜石墨包覆金屬納米粒子催化劑活化過一硫酸鹽降解雙酚A
第一作者:游俊杰

通訊作者:賴波,熊兆錕
通訊單位:四川大學(xué)
圖文摘要

成果簡介
近日,課題組2017級聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生游俊杰以第一作者身份在國際環(huán)境領(lǐng)域一區(qū)期刊Chemical Engineering JournalIF=10.652)上發(fā)表了題為“N-doped Graphite Encapsulated Metal Nanoparticles Catalyst for Removal of Bisphenol A via Activation of Peroxymonosulfate: A Singlet Oxygen-Dominated Oxidation Process”的研究論文。該研究通過MOFs衍生法制備了一種N摻雜石墨包覆Ni金屬和Ni3ZnC0.7合金納米顆粒催化劑(NiZn@N-G-900),并用于活化過一硫酸鹽(PMS)高效降解水中雙酚ABPA)。優(yōu)化了催化劑煅燒溫度及其活化PMS降解BPA的工藝參數(shù)。探究了反應(yīng)機(jī)理、BPA降解途徑、催化劑穩(wěn)定性及循環(huán)利用性能。各項(xiàng)表征和DFT計(jì)算表明,石墨層或N摻雜石墨層的包覆不僅可以調(diào)節(jié)催化劑的表面電荷分布,而且可以提高催化劑與吸附質(zhì)之間的電荷轉(zhuǎn)移能力。這些改性有利于PMS的吸附與活化。此外,根據(jù)無水甲醇中β-胡蘿卜素淬滅實(shí)驗(yàn)、重水中BPA降解實(shí)驗(yàn)和EPR結(jié)果得出NiZn@N-G-900/PMS體系屬于典型的1O2主導(dǎo)的非自由基體系。同時(shí),所制備催化劑對PMS自分解反應(yīng)的催化作用是1O2大量產(chǎn)生的主要原因。該反應(yīng)體系抗陰離子能力強(qiáng),選擇性高,實(shí)際應(yīng)用效果良好。這為Ni基催化劑在環(huán)境修復(fù)中的應(yīng)用提供了新的思路。
引言
近年來,水污染問題已經(jīng)嚴(yán)重威脅到了人們的健康和社會的可持續(xù)發(fā)展。一些相應(yīng)的技術(shù)手段例如吸附、高級氧化、生物降解已經(jīng)得到了廣泛的實(shí)際應(yīng)用。與此同時(shí),基于硫酸根自由基高級氧化技術(shù)(SR-AOPs)降解有機(jī)污染物已經(jīng)被證明是一種有效的污染物去除手段。在非均相催化中,過渡金屬基催化劑是一類常規(guī)的活化PMS的催化劑。其中,Co基催化劑效果最好。因此,大量文獻(xiàn)報(bào)道了不同類型Co基催化劑的在PMS活化方面的研究。而地殼中Co元素豐度較低將增加工藝成本?;诖?,利用地殼中儲存豐富的元素代替Co元素開發(fā)新的、具有高效活化PMS能力的催化劑是一個(gè)有意義的課題。Ni基催化劑因儲量豐富而廣泛應(yīng)用于各種不同的催化反應(yīng)。同時(shí),Ni基催化劑在PMS活化領(lǐng)域的研究相對薄弱。因此,開發(fā)高效、低成本的鎳基催化劑對PMS的活化具有重要意義。
本論文通過MOFs衍生法制備了一種N摻雜石墨包覆Ni金屬和Ni3ZnC0.7合金納米顆粒催化劑(NiZn@N-G-900),并用于活化PMS高效降解水中BPA。利用SEMHRTEM、XPSXRD、EDSFTIR、DFT等手段,探究了催化劑的結(jié)構(gòu)組成、元素分布和電子傳遞,并結(jié)合EPR實(shí)驗(yàn)和淬滅實(shí)驗(yàn)以及UPLC-MS/MS,確認(rèn)了反應(yīng)過程中主要的氧活性組分,揭示了其催化機(jī)制和污染物降解路徑。
結(jié)果與討論

Fig. 1. (a-d) SEM images, (e) element mapping and (f-k) HRTEM images of the NiZn@N-G-900.

Fig. 1所示,SEM、HRTEMEDS-mapping結(jié)果表明所制備催化劑是由N摻雜石墨包覆Ni金屬和Ni3ZnC0.7合金納米顆粒組成的。

Fig. 2. XPS spectra of the Fresh, Used and Re-calcined NiZn@N-G-900: (a) the N 1s core level and (b) the Ni 2p core level.

XPS結(jié)果(Fig. 2)表明,N元素的改變可能對所致被催化劑的性能產(chǎn)生影響。而反應(yīng)前后并沒有檢測到Ni元素的價(jià)態(tài)變化。

Fig. 3. (a)CO2-TPD and (b) NH3-TPD profiles of the Fresh NiZn@N-G-900. (c) Tafel scans of the Fresh NiZn@N-G-900, Used NiZn@N-G-900, Re-calcined NiZn@N-G-900, Ni0 powder and the Zn@N-C-900.

如圖Fig. 3(a)所示,所制備NiZn@N-G-900催化劑表面同時(shí)存在酸性位點(diǎn)和堿性位點(diǎn)。通常,酸性位點(diǎn)容易與親核物質(zhì)(如NH3HSO5-)結(jié)合,而堿性位點(diǎn)容易與親電物質(zhì)(如CO2)結(jié)合。因此,表面酸性位點(diǎn)有利于PMS的吸附與活化。Tafel曲線表明,所制備NiZn@N-G-900催化劑具有優(yōu)良的電荷傳輸性能(Fig. 3(b))。

Fig. 4. (a) A series of results for DFT calculations,including adsorption models (top view, side view), electrostatic potentialdistributions (ESP, Isosurface contour is 0.01 e/bohr3),adsorption energy (Eads), peroxide O-O bond length (lO-O)and electron gain and loss of the adsorbed PMS (Q). (b) The chargedifference distribution of different PMS adsorption models. (Isosurface contouris 0.002 e/bohr3. The light green and light yellow denote theelectron depletion and electron accumulation, respectively.). (c) The workfunction (Ф) of each slab model.

DFT計(jì)算結(jié)果表明(Fig. 4),在納米金屬顆粒表面包覆石墨或N摻雜石墨,不僅可以降低催化劑表面的功函數(shù)(Ф),增強(qiáng)催化劑與吸附質(zhì)之間的電子轉(zhuǎn)移,而且可以有效地控制表面電荷分布(ESP),為PMS的吸附和活化創(chuàng)造更多的場所。同時(shí),石墨或N摻雜石墨對納米金屬顆粒的包覆程度不同,也會導(dǎo)致PMS與催化劑之間吸附能的變化。通常,適當(dāng)?shù)奈侥苡欣?/span>PMS與催化劑之間的電荷轉(zhuǎn)移。PMS吸附模型都表明PMS具有獲得電子的趨勢。這種趨勢會使PMSO-O過氧鍵鍵變長,進(jìn)而有利于PMS的活化。根據(jù)DFT計(jì)算結(jié)果,提出了PMS的活化機(jī)理:當(dāng)PMS吸附在活性位點(diǎn)上時(shí),一些電子傾向于向PMS轉(zhuǎn)移,從而使O-O過氧鍵的長度變長。隨后,吸附在催化劑表面的、具有較長過氧鍵的PMS與相鄰PMS相互碰撞進(jìn)而轉(zhuǎn)化為ROS

Fig. 5. (a) Degradation efficiency of BPA in the NiZn-N-G-900/PMS system under different quenching conditions. (b) Premixed experiments in the NiZn-N-G-900/PMS system. (c) The change of PMS residual in the presence of different scavengers. (d) Effect of β-carotene on BPA degradation in anhydrous methanol. (e) EPR spectra in the NiZn-N-G-900/PMS system. (f) Degradation of BPA in D2O. (Conditions: 20 mg·L?1 BPA, 200 mg·L?1 catalyst, 0.244 mM PMS, pH= 6.5 and temperature = 30 oC).

根據(jù)無水甲醇中β-胡蘿卜素淬滅實(shí)驗(yàn)、重水中BPA降解實(shí)驗(yàn)預(yù)混合實(shí)驗(yàn)和EPR結(jié)果得出NiZn@N-G-900/PMS體系屬于典型的1O2主導(dǎo)的非自由基體系。同時(shí),體系中1O2大量產(chǎn)生的主要原因歸因于催化劑對PMS自分解反應(yīng)的催化作用。

小結(jié)
本文通過金屬有機(jī)骨架材料的衍生化,制備了N摻雜石墨包覆Ni0金屬和Ni3ZnC0.7合金納米顆粒催化劑。各項(xiàng)表征(XRDSEM、HRTEM、TPD、Raman、Tafel等)和DFT計(jì)算表明,石墨層或N摻雜石墨層的包覆降低了電子從催化劑表面逸出的功函數(shù),使催化劑表面具有良好的電子轉(zhuǎn)移能力。同時(shí),石墨層或N摻雜石墨層的覆蓋也會改變表面電荷分布,導(dǎo)致表面親電和親核(酸或堿)位點(diǎn)的改變。這些都有利于提高催化劑對PMS的吸附和活化能力。此外該工藝體系抗陰離子能力強(qiáng),選擇性高,在不同的實(shí)際水體中有著令人滿意的應(yīng)用價(jià)值。根據(jù)淬滅實(shí)驗(yàn)、重水中BPA降解實(shí)驗(yàn)和EPR結(jié)果得出NiZn@N-G-900/PMS體系屬于典型的1O2主導(dǎo)的非自由基體系。同時(shí),所制備催化劑對PMS自分解反應(yīng)的催化作用是1O2大量產(chǎn)生的主要原因。該反應(yīng)體系抗陰離子能力強(qiáng),選擇性高,實(shí)際應(yīng)用效果良好。這為Ni基催化劑在環(huán)境修復(fù)中的應(yīng)用提供了新的思路。
作者介紹

游俊杰,四川大學(xué)2017級環(huán)境工程博士研究生,研究方向?yàn)榉蔷嗷罨^硫酸鹽降解水中污染物。博士在讀期間發(fā)表SCI論文4篇,其中以第一作者在Chemical Engineering Journal上發(fā)表論文2篇。參與了環(huán)保部專項(xiàng)計(jì)劃項(xiàng)目、宜賓市十四五水生態(tài)環(huán)境調(diào)查和宜賓市興文縣十四五發(fā)展規(guī)劃。
原文鏈接:
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894721004848



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