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哈工大任南琪院士团队ES&T封面论文:揭示PMS活化中氮硫掺杂对有机物降解的调控机制
发布人:吴洁  发布时间:2022-10-14   浏览次数:10

  近日,哈工大任南琪院士团队在Environmental Science & Technology 上发表过硫酸盐降解体系相关的封面论文。该成果利用氮硫元素对Co-rGO基复合材料进行改性,改性前后催化过硫酸盐产生了不同的选择性降解机制,并对这类催化体系对抗生素类污染物的降解机理以及催化机理的调控和优化进行深入分析。


  在 PMS 系统中,自由基和非自由基氧化对污染物的降解作用不同。 有研究表明,这两种氧化途径的协同作用比单一途径更有效,主要是由于充分利用了氧化能力和对不同环境的更好适应。之前的研究合成了具有高降解能力的抗生素催化剂,但由于对不同材料激发的活化机制认识不足,催化剂结构与降解性能之间仍存在知识差距。在我们之前发表的工作中(doi.org/10.1016/j.jhazmat.2021.127247),建立了一个Co@rGO/PMS系统用于四环素降解,该系统同步进行自由基途径和非自由基途径。面对我们以前工作的局限性,我们旨在通过杂原子掺入进一步优化Co@rGO/PMS系统,并说明不同杂原子掺入引起的活化机制的转变。而杂原子(尤其是NS)掺杂是一种有效的材料改性策略,可以提高PMS的活化性能,这被认为是上述Co@rGO材料的一种有希望的改进策略。在rGO基体中,N原子可以作为石墨N、吡啶N和吡咯N结构的构型被纳入,从而导致许多缺陷的出现。而掺入S在诱导C sp2晶格上的自旋电荷和用含S的基团替代含O的基团方面可能会有着关键的作用。



  根据上述文献调研,任南琪院士团队在材料的制备过程中加入尿素作为N源,硫单质作为S源以改性材料。结果发现N 均匀地插入到 Co@rGO 的还原氧化石墨烯(rGO)基质中,在不影响活化机制转变的情况下诱导降解效率显着提高。而S掺杂将Co@rGO中的Co3O4转化为Co4S3,并将协同氧化途径转变为强度更强的单一非自由基途径,从而提高了对环境干扰的稳定性。值得注意的是,基于密度泛函理论 (DFT) 计算,我们证明 Co4S3Co3O4具有更高的 PMS 吸附和裂解能垒,因此,Co4S3不易激发自由基途径。总体而言,NS共掺杂得到的Co@rGO-N,S的降解性能大大提高,通过改变结构和活化机制表现出更高的稳定性、适应性和可重复使用性。这一工作继续以理论计算和实验分析结合,分析并调控催化剂改性对于降解机理和性能的提高。总的来说,NS的掺杂揭示了它们在PMS体系中降解抗生素的不同潜在催化剂修饰效果,它们对材料形态、活化机制和降解性能的贡献得到了很好的说明和联系,从而为PMS基催化体系在抗生素处理技术方面提供了新的见解和思考。


第一作者:冯骁驰,哈尔滨工业大学(深圳)土木与环境工程学院,副教授/博士研究生导师,入选2021年哈尔滨工业大学(深圳)青年拔尖人才,深圳市高层次人才后备人才,城市水资源与水环境国家重点实验室固定成员。中国化学快报(Chinese chemical Letters)青年编委,第四届中国化学快报青年环境化学家论坛执行副主席。在Environmental Science & TechnologyJournal of Membrane Science等环境领域SCI期刊发表论文40余篇,Web of ScienceH-index 20,担任Water Research等多个国际期刊审稿人,授权国家发明专利4项。

通讯作者:任南琪,中国工程院院士,城市水资源与水环境国家重点实验室主任,“城市水质转化规律与保障技术”国家创新研究群体带头人。兼任国务院住房城乡建设部海绵城市建设技术指导专家委员会主任委员,国务院学位委员会学科评议组召集人,教育部资源环境与地球科学部委员,住建部科学技术委员会城镇水务专业委员会主任,国际水协(IWAFellow,教育部环境类专业指导委员会副主任委员,中国环境科学学会副理事长,中国能源学会副会长等。获国家技术发明二等奖1项、国家科技进步二等奖2项、全国创新争先奖状、省部级奖12项,何梁何利基金科学与技术进步奖1项,出版著作12部;发表论文SCI收录600余篇(引用20000+H因子71);授权国家发明专利60+



论文链接:https://doi.org/10.1021/acs.est.2c04172