文献速览 | 揭示单线态氧生成的 Co0.5Zn0.5O 纳米片上过氧单硫酸盐活化途径:性能和膜应用

2023-03-09 19:44:40 浙江福立分析仪器股份有限公司


文章题目Uncovering the pathway of peroxymonosulfate activation over Co0.5Zn0.5O nanosheets for singlet oxygen generation: Performance and membrane application

(揭示单线态氧生成的 Co0.5Zn0.5O 纳米片上过氧单硫酸盐活化途径:性能和膜应用)

第一作者张晓珂

通讯作者李俊,刘进

通讯单位郑州大学,周口师范学院

论文DOI10.1016/j.apcatb.2023.122429

关联仪器LC5090

发表期刊Applied Catalysis B: Environmental(SCI I区 IF 24.319)

原文链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0926337323000723

文章背景


四环素(TC)、环丙沙星(CIP)等抗生素在治疗人禽细菌感染方面做出了突出贡献。然而,抗生素最近却对生态环境安全构成了威胁。由于抗生素具有抗生物降解性和生态毒性,传统的水处理方法难以去除抗生素,因此抗生素被认为是一种难降解有机物。地表水和废水,特别是抗生素含量高的制药和医疗废水的处理已引起人们的重视。基于PMS的高级氧化工艺(PMS-AOPs)被认为是一种水处理中很有前途的催化降解策略。在PMS-AOPs中,PMS通过催化反应转化为活性氧物种(ROS),包括自由基(SO4•-,•OH, O2•-)和非自由基(单线态氧,1O2)。但是,水中的离子和天然有机物会与有机污染物竞争,与自由基发生反应,导致催化剂的效率降低。在这些ROS中,1O2不容易受到周围环境的干扰,包括pH、离子、有机和无机物,寿命比其他自由基长。因此,研究人员希望在PMS活化过程中开发出高选择性生成1O2的催化剂,用于有机污染物的降解。


文章亮点

作者开发了一种超高效率的Co0.5Zn0.5O (CZO)固溶体纳米片,暴露丰富的活性位点用于PMS活化。CZO表面的双Co-Zn位点选择性吸附PMS的特定O位,从而100%选择性地促进1O2的生成。CZO/PMS体系对无机离子和pH值具有较强的适应性,1O2为唯一活性氧物种,处理后抗生素污染物的毒性显著降低。将CZO纳米片附载于纤维膜上,连续降解有机污染物,去除率高达95%,持续时间超过10小时。


关联仪器

采用LC 5090高效液相色谱分析了降解目标污染物——四环素和环丙沙星的浓度。分析效果很好,可以将目标污染物的峰与其他峰有效分开,并准确得出溶液中目标有机物的浓度。



全文概述

催化剂的形貌分析

通过一步溶剂热法合成的CZO催化剂具有超薄二维纳米片结构,其中Co、Zn、O元素得以均匀分布。

图1 CZO纳米片的(a)合成示意图,(b-c, f)AC HAADF-STEM图,(d)EDS图,(e)AFM图和(g)沿绿线的高度剖面图。



催化剂的结构分析

合成的CZO催化剂具有均匀六边形排列的微观排列,其中Co的价态接近+2价。

2 CZO纳米片的(a)XPS谱,(b-d)XAFS分析图,(e)结构模型图,(f-i)Co氧化物的小波变换分析。


催化剂的性能分析

在PMS和CZO存在的条件下,TC去除率在5 min内达到99.53%,显示了CZO/PMS体系优异的氧化能力。将CZO的TC去除性能与最近报道的钴基催化剂进行对比,明显体现了CZO/PMS体系对TC的优良降解性能,展示出其在水处理领域具有广阔的应用前景。


3 (a)不同体系的TC降解曲线,(b)相应的动力学曲线。(c)CZO/PMS体系中5minTC的降解率和PMS消耗率。(d)反应前后CZOCo 2pXPS图。(e)CZO粉末降解TC的循环性能。(f)CZO与其他催化剂效果对比图。ZnOCZO(g)LSV(h)电流曲线。(i)CZO在天然水体中的催化性能。


CZO催化剂与膜分离技术的结合

CZO纤维膜循环利用方便,具有应用于高浓度有机污染物废水处理的潜力。在长达10h的持续水处理中,CZO纤维膜/PMS系统对有机污染物的去除率稳定高效,有机污染物去除率高于95%。


4 (a)原始纤维膜和(b)CZO纤维膜的SEM图。(c)流动相实验装置照片。(d)流动相实验装置示意图。(e)纤维膜的水通过性能。(f)出水中检测到的Co浓度。 (g)纤维膜的污染物降解性能。


活性物种的分析

通过淬灭实验和EPR技术分析出在CZO/PMS体系中,单线态氧为唯一活性氧物种。并且在理论上CZO的Co-Zn位点对PMS的吸附能力更强,有助于1O2的选择性生成。


5 (a)自由基淬灭实验。(b)EPR图。(c)pHTC降解的影响。 (d)CZOZnOPMS的优化吸附模型。PMS吸附在(e)CZO(f)ZnO上成键的COHPPMS(g)CZO(h)ZnO上的活化示意图。


催化反应机理

理论计算表明,在CZO催化剂具有金属性质,有利于催化剂与PMS之间的电子转移,并且PMS在CZO表明活化的吉布斯自由比在ZnO上显著降低,显然更有利于PMS活化生成1O2


图6 (a)ZnO和(b)CZO的PDOS。(c)CZO上PMS活化生成1O2的吉布斯自由能。(d)PMS在CZO上的优化结构。



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