P-π组装的金属卟啉-石墨烯类芬顿催化剂,可通过非自由基和自由基途径高效净化高盐度氯酚类废水

时间:2026年5月27日
来源:Separation and Purification Technology

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谭玉杰|刘瑞茜|王慧琳|刘波|冯波|姜伟|周世|刘春波教育部环保材料制备与应用重点实验室,吉林师范大学能源与环境材料智能制造联合实验室,中国长春摘要本研究致力于高效去除高盐度废水中的难降解有机污染物。通过π-π自组装策略,将四(4-羧基苯基)卟啉铁(FeTCPP)固定在石墨烯上,

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谭玉杰|刘瑞茜|王慧琳|刘波|冯波|姜伟|周世|刘春波
教育部环保材料制备与应用重点实验室,吉林师范大学能源与环境材料智能制造联合实验室,中国长春

摘要

本研究致力于高效去除高盐度废水中的难降解有机污染物。通过π-π自组装策略,将四(4-羧基苯基)卟啉铁(FeTCPP)固定在石墨烯上,制备出FeTCPP-G复合催化剂,该催化剂专为过一硫酸盐(PMS)的活化及2,4-二氯苯酚(2,4-DCP)的降解而设计。该催化剂能够在3分钟内完全去除2,4-DCP,并在高盐度介质(200 mM)中保持良好的性能,表现出较强的抗干扰能力。其优异的催化活性源于三个设计特点:(1)强π-π共轭作用促进了石墨烯和FeTCPP的自组装,不仅简化了制备过程并保证了结构稳定性,还生成了高度分散的Fe4活性位点;(2)界面间的强π-π相互作用构建了高效的电子转移路径,显著加速了PMS的活化动力学;(3)主要自由基(O2∙–)和非自由基机制(1O2和电子转移)确保了在高盐度条件下的高效水处理。这项工作为开发兼具高效降解能力和强环境抗性的Fenton类系统提供了合理的设计策略。

引言

高盐度废水处理仍面临有效去除有机污染物的重大挑战[1]。传统生物处理方法在高盐度条件下往往效果不佳,而传统的高级氧化技术由于盐的干扰和自由基淬灭作用也常常表现有限[2],[3]。近年来,过一硫酸盐(PMS)激活的Fenton类系统因其强大的氧化能力和广泛的应用性而受到广泛关注[4],[5]。与传统自由基驱动的氧化途径不同,PMS活化不仅可以生成活性氧物种(如羟基自由基(·OH)和硫酸根自由基(SO4∙–),还可以通过非自由基途径(如单线态氧1O2)、高价金属形成和直接电子转移)实现有机污染物的选择性降解[6],[7],[8]。这些非自由基途径对水基质的干扰较小,更适应高盐度环境,因此在处理高盐度废水方面具有巨大潜力[9],[10],[11]。然而,PMS的活化机制复杂,自由基和非自由基途径常常共存并竞争[12],[13],[14]。在实际高盐度废水中,引导反应向非自由基途径发展对于提高系统稳定性和降解效率至关重要。因此,合理设计能够选择性促进非自由基反应的催化剂是实现高效PMS活化和高盐度废水高级净化的重要步骤。
近年来,具有明确金属-N配位结构的单原子催化剂(SACs)在引导PMS活化途径方面展现出巨大潜力[15],[16],[17],[18]。例如,Fe4和Co4位点可以通过非自由基途径有效激活PMS,从而实现高效污染物降解[19],[20],[21]。在众多SACs中,金属卟啉因其清晰的结构、高度的共轭性和高度分散的金属4活性中心而受到关注,被认为是将PMS定向转化为单线态氧1O2的理想候选材料[22],[23]。然而,金属卟啉在实际废水处理中的应用受到高成本和在水介质中易聚集或渗出的限制,从而降低了活性位点的可利用性和实用性。因此,开发合适的载体以实现这些活性物种的均匀分散和牢固固定对于提高其经济可行性和实际应用性至关重要。
在各种载体中,石墨烯因其高比表面积、良好的化学稳定性、优异的导电性和成熟的商业前景而备受青睐[24],[25],[26],[27],[28]。其大的π共轭体系可以通过强π-π相互作用与金属卟啉分子紧密结合,这不仅有效抑制了活性组分的聚集并改善了其分散性,还可以调节催化剂、PMS和污染物之间的界面电子结构,进一步提高自由基和非自由基途径的催化效率和稳定性。
受此启发,二维石墨烯成为理想的催化剂载体。通过自组装技术负载四(4-羧基苯基)卟啉铁(FeTCPP),制备出了FeTCPP-G催化剂。通过活化PMS降解水中的氯酚(CPs)来评估其催化活性。结合电子顺磁共振(EPR)光谱进行了淬灭实验,以探究FeTCPP-G/PMS体系中的活性氧物种(ROS)。采用密度泛函理论(DFT)计算等多种方法揭示了ROS的生成过程和机制。这项研究为高盐度废水处理技术的进步奠定了理论基础和技术支持。

章节摘录

材料与表征

补充信息提供了详细的方法和材料(文本S1和S2)。

FeTCPP-G催化剂的合成

溶液A是通过将10 mg FeTCPP与10 mL乙腈搅拌1小时得到的。悬浮液B是通过将100 mg石墨烯分散在10 mL乙腈中并搅拌1小时得到的。随后将A逐滴加入B中,在避光条件下继续搅拌2小时。固体产物经过离心、真空干燥(60°C,4小时)后获得。

结构表征

图1a展示了通过自组装方法合成的FeTCPP-G催化剂的制备过程。使用透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)和高分辨率TEM(HRTEM)对FeTCPP-G、FeTCPP和石墨烯的微观结构进行了表征。如图1b-d所示,FeTCPP-G表现出明显的层状堆叠结构,类似于石墨烯。图1e中的TEM图像显示FeTCPP成功沉积在

结论

总之,FeTCPP-G催化剂通过自组装方法合理设计并合成,表现出优异的PMS活化能力和非自由基物种生成调控能力。丰富的π-π堆叠通道和Fe4活性位点是提高催化效率和长期稳定性的关键结构特征。在废水净化过程中,FeTCPP-G/PMS体系能够在3分钟内完全降解2,4-二氯苯酚(2,4-DCP)(100%)。

CRediT作者贡献声明

谭玉杰:撰写——原始草稿,实验研究,数据整理。刘瑞茜:实验研究。王慧琳:实验研究。刘波:数据整理。冯波:实验研究。姜伟:撰写——审稿与编辑,概念构思。周世:项目管理,资金获取。刘春波:实验研究。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了吉林省自然科学基金项目(YDZJ202401472ZYTS)的支持。

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