文献速递|华东理工大学JCIS:将单原子光热催化剂与表面定位高温整合到过一硫酸基类芬顿系统中,增强抗生素降解能力

文摘   2024-10-29 08:11   北京  
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第一作者:Yizhou Wu

通讯作者:雷菊英 教授

通讯单位:华东理工大学资源与环境学院

DOI:10.1016/j.jcis.2024.08.194









全文速览

本研究探讨了如何将单原子催化剂与过硫酸盐(PMS)基 Fenton-like 系统中的光热效应相结合,以增强污染物降解效果。我们设计了一种单原子光热催化剂(Co/PMCNs),采用介孔碳球作为单原子支撑和光热材料。由于近红外(NIR)光在水中具有优异的热效应和穿透能力,因此被采用。研究发现,Co/PMCNs 可以产生表面定位高温,从而加速 PMS 的活化并降低活化反应的能隙,从而改善降解性能。研究表明,表面定位高温是区分光热加热和外部热源对 PMS 活化的关键。此外,该系统在各种操作条件和水基质下均表现良好,Co/PMCNs 显示出良好的可回收性。这项研究强调了在近红外辐照下表面定位高温对异相催化的影响,并强调了将具有光热效应的单原子催化剂集成到高级氧化工艺中以实现有效水污染控制的潜力。








图文摘要







引言

本文设计了一种用于过一硫酸盐(PMS)活化的单原子光热催化剂(Co/PMCNs-1),其中碳基底可同时作为单原子支撑和光热材料。与紫外线和可见光相比,近红外(NIR)光具有更优越的热效应和更强的水中穿透能力,因此被选为光源。以抗生素污染物 LEV 为模型,评估了 Co/PMCNs-1+PMS+NIR 系统的降解性能。此外,还考察了 Co/PMCNs-1 的循环稳定性以及该系统在各种操作条件下的降解性能。实验结果和理论模型都证实了异相近红外光热降解过程中表面定位高温的存在及其重要性。此外,还提出了 LEV 可能的降解机制和途径,并对降解中间产物进行了毒性预测。这种综合方法为所开发的抗生素降解催化剂系统的有效性和可靠性提供了启示。





同位素标记技术

图文导读

Fig. 1SEM image (a), STEM image (b), HAADF-STEM image and the corresponding EDS elemental mappings (c), and AC-HAADF-STEM image (d) of Co/PMCNs-1; Normalized Co K-edge XANES spectra (e), FT k3-weighted EXAFS spectra (f), and WT-EXAFS plots (g) of Co/PMCNs-1 and its reference samples; EXAFS fitting curve at k space (h) and FT-EXAFS fitting curve at R space (i) of Co/PMCNs-1.

Fig. 2(a) UV–vis-NIR-DRS spectra of Co/PMCNs-1 and Co/PDA/F127; (b) Temperature change curves of Co/PMCNs-1 solution (0.1 g/L) and pure water under NIR irradiation; (c) The corresponding infrared thermal photos at different time intervals; (d) The heating and cooling curves of Co/PMCNs-1 solution for five cycles.

Fig. 3(a) Degradation of LEV in different reaction systems; (b) The corresponding pseudo first order reaction constants (kobs) of LEV degradation in different reaction systems; (c) The contribution of four parts on LEV degradation in Co/PMCNs-1+PMS+NIR and PMCNs+PMS+NIR systems; (d) TOC removal efficiency by Co/PMCNs-1+PMS+NIR/Dark system. Reaction conditions: [Catalysts] = 0.1 g/L, [PMS]0 = 1 mM, [Antibiotics]0 = 20 mg/L, with or without NIR (λ > 800 nm) irradiation.

Fig. 4(a) Effect of initial pH on LEV degradation in Co/PMCNs-1+PMS+NIR system; (b) Effect of Cl, SO42−, NO3 and H2PO4 on LEV degradation in Co/PMCNs-1+PMS+NIR system ([Cl] = [SO42−] = [NO3] = [H2PO4] = 10 mM); (c) Effect of different simulated water bodies on LEV degradation in Co/PMCNs-1+PMS+NIR system (Surface water quality conditions: pH = 7.8, [COD] = 3.1 mg/L, [TN] = 7.7 mg/L; Ground water quality conditions: pH = 7.3, [TN] = 34.7 mg/L, [Cl] = 118 mg/L); (d) Degradation efficiency of different antibiotics by Co/PMCNs-1+PMS+NIR system; (e) The device for the larger-scale degradation system; (f) The corresponding LEV degradation efficiency over longer time periods (12 h) (Reaction conditions for the larger-scale degradation system: 50 mg Co/PMCNs-1 on the membrane, [PMS]0 = 1 mM, [LEV]0 = 5 mg/L, the flow rate of peristaltic pump was set at 0.5 rpm, with NIR (λ > 800 nm) irradiation). Reaction conditions for degradation system in (a)-(d): [Catalysts] = 0.1 g/L, [PMS]0 = 1 mM, [Antibiotics]0 = 20 mg/L, with NIR (λ > 800 nm) irradiation.

Fig. 5(a) The infrared thermal photo of Co/PMCNs-1 sponge immersed in H2O after NIR irradiation for 10 min (the glass vial was filled with H2O); (b, c) Numerical simulation of the temperature distribution and velocity vectors around a single Co/PMCNs-1 nanosphere before (b) and after (c) NIR irradiation; (d, e) PMS decomposition efficiency (d) by different heating methods and the corresponding rate constants (e).

Fig. 6(a) Quenching tests of Co/PMCNs-1+PMS+NIR system (concentrations and roles of different quenching agents: [MeOH] = 150 mM for quenching SO4·− and ·OH, [TBA] = 150 mM for quenching ·OH; [BQ] = 2 mM for quenching ·O2; [FFA] = 10 mM for quenching 1O2; [DMSO] = 10 mM for quenching high-valent cobalt-oxo species); (b) EPR spectra of DMPO-SO4·−/·OH adduct in water; (c) EPR spectra of DMPO-·O2 adduct in methanol; (d) EPR spectra of TEMP-1O2 adduct in water.








研究意义

本研究设计了一种新型的基于 PMS 的光热 Fenton-like 系统(Co/PMCNs-1+PMS+NIR),用于降解抗生素。Co-N4 活性位点作为 PMS 活化位点,介孔碳基底作为近红外光热转换材料。得益于 Co/PMCNs-1 和近红外辐照对 PMS 活化的协同作用,Co/PMCNs-1+PMS+近红外系统的降解性能大大提高,且稳定性高,对不同操作条件的耐受性强。更重要的是,通过实验结果和理论建模分析了 Co/PMCNs-1 纳米球与体液之间的传热过程,阐明了光热加热与外部热源加热在传热目标上的本质区别。在近红外辐照下,Co/PMCNs-1 表面的局部高温可进一步促进异相 PMS 催化活化和污染物降解,凸显了光热加热的优势。理论计算结果也强调了近红外辐照对反应体系的积极影响--加快了活化反应速率,降低了某些 PMS 活化反应的能隙。

综上所述,该研究将具有高原子利用效率的单原子光热催化剂与近红外辐照独特地整合到了类 Fenton 反应体系中,全面验证了 Co/PMCNs-1 在复杂高温反应条件下结构的稳健性和反应活性。此外,这项工作还强调了近红外诱导光热效应在催化领域的应用,而这在以往的研究中往往被忽视。因此,这项工作有望为近红外在水污染控制和环境修复中的应用开辟一种新策略。此外,进一步将光热效应产生的热量限制在催化剂的表面或内部,抑制热扩散过程中的热量损失,从而有效利用更多热能进行异相降解过程,也是未来工作的需要。


文献信息

Yizhou Wu, Feng Liang, Liang Zhou, Nguyen Nhat Huy, Lingzhi Wang, Yongdi Liu, Jinlong Zhang, Juying Lei, Integration of single-atom photothermal catalysts with surface-localized high temperature in peroxymonosulfate-based Fenton-like systems for enhanced antibiotics degradation, Journal of Colloid and Interface Science, 2025, https://doi.org/10.1016/j.jcis.2024.08.194



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