第一作者：Guolang Zhou, Shizheng Wen
通讯作者：朱凤霞/张莉莉/殷竟洲 教授
通讯单位：淮阴师范学院化学化工学院
DOI:10.1016/j.seppur.2023.125244
缩短活性氧（ROS）迁移距离和加速电子传递是提高过一硫酸盐（PMS）活化催化剂性能的有效策略。本文通过一步煅烧法成功制备了金属路易斯酸和非金属路易斯酸共掺杂石墨氮化碳（Co,B-C3N4），从而协同增强了 PMS 的活化效果。钴位点明显加速了电子转移过程。硼作为污染物的吸附位点，大大缩短了 ROS 的迁移距离。因此，Co,B-C3N4 表现出了卓越的 PMS 激活能力，仅在 6 分钟内就成功降解了 99% 的四环素（TC），降解速率常数达到 0.407 min-1。此外，Co,B-C3N4 在复杂的水环境和长期循环条件下仍表现出卓越的催化性能。密度泛函理论（DFT）计算和机理研究表明，非自由基路径（直接电子转移过程和 1O2）起着主导作用。这项工作为设计 PMS 活化催化剂提供了一种可行的策略。
本文成功制备了金属路易斯酸和非金属路易斯酸共掺杂石墨氮化碳，用于活化 PMS 以降解 TC。系统研究了钴掺杂、催化剂用量、PMS用量、TC浓度、pH值、温度和共存物质等因素对TC降解的影响。基于 DFT 计算和机理分析，确定了 Co,B-C3N4/PMS 体系的中间产物和毒性，并提出了其降解机理。此外，还考察了 Co,B-C3N4 催化剂的耐久性和可回收性。总之，这项研究为开发高效的 AOP 催化剂提供了一种新方法。
Fig. 1. (a) The synthetic route of Co,B-C3N4 catalyst. SEM image of C3N4 (b), B- C3N4 (c), Co-C3N4 (d) and Co,B-C3N4 (e). TEM (f, g), HRTEM (h), SAED (i) and mapping (j) of Co,B-C3N4.
Fig. 2. XRD pattern (a) and XPS spectra of C3N4, B-C3N4 and Co,B-C3N4. (b) survey, (c) N 1s, (d) C 1s, (e) Co 2p, (f) B 1s.
Fig. 3. (a) TC degradation performance in different catalytic systems. The influencing factors of TC degradation: (b) Co content, (c) catalyst amount, (d) TC concentration, (e) PMS dosage, (f) pH value.
Fig. 4. The calculated rate constant in different systems. (a) different catalysts, (b) Co content, (c) catalyst amount, (d) TC concentration, (e) PMS dosage, (f) pH.
Fig. 5. Factors affecting the degradation of TC include: (a) temperature (with an inset Arrhenius plot), (b) water type, (c) cation, and (d) anion.
Fig. 6. The calculated rate constant. (a) different temperature, (b) type of water, (c) cation, (d) anion.
总之，成功制备了双路易斯酸位点共掺杂的 g-C3N4，用于活化 PMS 以降解三氯甲烷。所制备的 Co,B-C3N4 具有出色的 PMS 活化性能，可在 6 分钟内降解 99% 的 TC，降解速率常数为 0.407 min-1。此外，在复杂的水环境和长期循环条件下，Co,B-C3N4 仍具有出色的催化性能。性能的提高主要归功于 Co 和 B 掺杂的有益协同效应。具体来说，Co 和 B 的引入提高了电荷转移效率，减少了自由基迁移的距离。直接电子转移过程和 1O2 起主导作用，自由基路径（∙OH、O2-∙ 和 SO4-∙）起次要作用。这项研究为构建 PMS 活化催化剂提供了一种前景广阔的方法。
Guolang Zhou, Shizheng Wen, Jingying Wang, Xiaolei Zhou, Yang Xu, Yu Guan, Fengxia Zhu, Jingzhou Yin, Cheng Liu, Lili Zhang, Shorten migration distance of ROS and accelerate electron transfer by engineering dual Lewis acid sites for synergistic activation of PMS toward rapid TC degradation, Separation and Purification Technology, 2024, https://doi.org/10.1016/j.seppur.2023.125244
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