我校张晓涛教授与吴义强院士合作发表生物质衍生碳材料

助力实现高效水体净化系列研究成果

现代工业和社会的快速发展，导致有机微污染物在地表水和地下水环境中日益频现，对生态系统和人类健康造成了严重危害。传统水处理工艺难以实现水体的深度净化，而基于过硫酸盐的高级氧化技术，因其能产生高活性氧物种并将污染物彻底矿化，提供了颇具前景的解决方案。如此，如何设计与构筑高效稳定的催化材料，便成为推动该技术实际应用的核心课题。

我校材料科学与艺术设计学院王喜明教授和理学院张晓涛教授联合吴义强院士团队开发了一种资源可扩展的可持续性策略，通过将农林废弃生物质高值化转化为系列双功能整体催化材料，用于活化过氧硫酸盐并精准降解水体有机微污染物，同步实现了废弃物资源增值与水体环境绿色修复的双重目标。近期，科研团队连续在国际知名期刊《Chemical Engineering Journal》（中国科学院一区Top期刊）、《Industrial Crops and Products》（中国科学院一区Top期刊）和《Separation and Purification Technology》（中国科学院二区Top期刊）上发表系列研究。

在《Chemical Engineering Journal》发表研究成果题为“Ni@CoTiO₃@C for efficient peroxomonosulfate activation during pesticide degradation: Enhancement of electron transport efficiency using multivalent elements”，内蒙古农业大学我校材料科学与艺术设计学院2022级博士生刘哲辰和中南林业科技大学材料与能源学院张振老师为共同一作。通讯作者为张晓涛教授、王喜明教授和中南林业科技大学吴义强院士。研究发现Ni掺杂和碳负载（热处理）可提高CoTiO₃活化PMS降解农药甲基磺草酮的效率。在8min时，甲基磺草酮的降解率为93.72%，理论计算证实了碳负载（热处理）提高了催化剂的电子传输效率，降低了反应自由能和过渡态能量势垒，不同价态元素的协同作用促进了甲基磺草酮的高效降解。

图1 Ni@CoTiO₃@C活化PMS及对甲基磺草酮的降解机制

在《Industrial Crops and Products》发表研究成果题为“Efficient activation of peroxodisulfate by Cu-loaded carbon catalysts for the degradation of highly concentrated Congo red”，第一作者是我校材料科学与艺术设计学院2022级博士生刘哲辰。通讯作者为王喜明教授和张晓涛教授。研究利用叶绿素铜钠盐热解制备的Cu@C催化剂活化PDS，实现了高浓度刚果红染料（100 mg/L）的降解。在10 min时降解率达90.69%。理论计算验证了负载在碳层上的铜簇显著增强了PDS的吸附能，氮掺杂和碳负载铜簇提高了CuC₇₀₀与PDS之间的电子传输效率。

图2 CuC₇₀₀活化PDS及对刚果红（100 mg/L）的降解机制

在《Separation and Purification Technology》发表研究成果题为“Enhanced peroxymonosulfate activation efficiency using Gd-doped Co@NOC and rapid quinoclamine degradation: radical and non-radical pathways”，文章第一作者是我校材料科学与艺术设计学院2022级博士生刘哲辰。通讯作者为王喜明教授和张晓涛教授。试验利用木质素作为热解碳原料，制备Gd/Co@NOC复合催化剂，活化PMS降解农药灭藻醌，在5min时降解效率可达98.24%。研究结果显示，碳层能够分散钴簇以提升PMS的活化效率，并作为电子介导过程的载体，通过自由基和非自由基两条途径降解灭藻醌。Gd掺杂通过调控Co活性位点的配位环境和电子结构，显著提高了催化剂的电子转移能力，降低了反应的自由能和过渡态能垒。

图3 Gd/Co@NOC活化PMS及对灭藻醌的降解机制

上述研究工作得到内蒙古自治区直属高校基本科研业务费项目、中央引导地方科技发展基金项目、内蒙古自然科学基金、内蒙古自治区大学生创新创业训练计划项目等基金资助。