过氧化物微调控铜铈双反应中心催化剂诱发氧活化驱动水净化_中国煤炭行业知识服务平台

创新点

开发低能耗水处理技术对于提高污废水内源性物质能量利用及降低水处理过程碳排放具有重要意义。本研究利用原位晶格掺杂制备铜铈氧化物双反应中心催化剂（CCO），用于构建微量过氧化物微调控CCO水净化体系，能诱导水中惰性溶解氧在富电子中心定向“1电子”微还原，避免多电子还原过程中电子和能量的损耗，并驱动水中难降解有机污染物在贫电子中心快速供电子裂解，有效提升体系中污染物能量的利用，为开发低碳、高效的水处理技术提供了新思路。

通讯作者简介

曹文锐特聘副研究员

曹文锐，博士，香江学者，广州大学大湾区环境研究院博士后、特聘副研究员。2024年博士毕业于山东大学，目前在胡春教授团队吕来教授课题组从事博士后研究，入选2024年“香江学者计划”并赴香港城市大学开展联合性研究。主要从事二维材料电子结构调控及其对水中新污染物低能耗靶向去除相关研究，尤其是在含高盐度和天然有机物等复杂介质中的应用。在国内外权威期刊发表高水平论文多篇，以第一/通讯作者身份在《美国国家科学院院刊（PNAS）》《环境科学与技术（Environmental Science & Technology》《中国科学：化学》等国内外顶刊发表论文9篇。担任Frontiers of Environmental Science & Engineering、《环境工程学报》等期刊独立审稿人。曾获得第十八届奥加诺（水质与水环境）奖学金、第十届北京大学唐孝炎环境科学创新奖学金及山东大学优秀毕业生等荣誉，参与多项国家级、省级重要项目。

过氧化物微调控铜铈双反应中心催化剂诱发氧活化驱动水净化

作者

方谦¹，杨东旋¹，孙英涛¹，付紫薇²，吴沅忠²，曹文锐^1,3,*，胡春¹，吕来^1,2

单位

1. 广州大学大湾区环境研究院珠江三角洲水质安全与保护教育部重点实验室

2. 广州大学环境科学与工程学院

3. 香港城市大学化学系

基金项目

1. 广东省重点领域研发计划项目纳米科技专项（2023B0101200004）

2. 国家自然科学基金资助项目（面上52470069）

3. 广州大学研究生创新能力培养计划（JCCX2024-058）

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摘要

水中难降解有机污染物结构稳定且具有生物毒性，严重威胁水生态安全和人类健康。传统水处理工艺往往需要依靠大量外部能源和氧化剂来实现污染物的降解，这成为水净化难点。本文提出通过一种表面电子非均匀分布的铜铈氧化物双反应中心（Dual Reaction Centers, DRCs）催化剂（CCO）与微量诱发剂作用驱动水中内源物质能量利用创新策略实现低能耗水净化。结构表征和密度泛函理论（DFT）计算证实，Cu—O—Ce键桥的形成诱发表面电子极化分布，从而提高了催化活性。在微量过一硫酸盐（PMS）调控下，CCO体系对多种难降解有机污染物（如酸性橙7和环丙沙星等）在5 min内即可实现100%去除，且在宽pH范围（3～11）及复杂阴离子共存条件下均表现出优异的适应性和稳定性。对于实际餐厨废水，CCO体系仍能在5 min内实现快速净化。结果表明，微量PMS能够诱发水中惰性溶解氧（DO）在CCO表面富电子中心“1电子”定向微活化，驱动污染物在贫电子中心供电子裂解，有效提升体系中污染物能量的利用，避免了DO多电子还原过程中电子和能量的损耗，为开发低碳、高效的水处理技术提供了新思路。

研究背景

抗生素、内分泌干扰物等结构稳定且含复杂致毒致病官能团的芳环类难降解有机污染物已在全球河湖流域、工业废水及市政污水中被广泛检出，常规水处理技术难以有效去除，其严重威胁水生态安全与人类健康。目前，通过产生强氧化性活性氧物种（ROS）去除污染物的高级氧化技术广泛应用于水净化，该技术主要通过消耗大量化学试剂（如H₂O₂、PMS、O₃）或能源（如光、电）产生ROS（如羟基自由基•OH），从而去除水中污染物。然而，在自然水体这一复杂系统中，惰性溶解氧（DO）、不同种类阴离子、溶解性天然有机物等内源性物质的干扰以及水分子间致密的氢键网络会阻碍污染物分子与多相催化剂表面活性位点的有效接触，导致水处理效率低下，不得不消耗大量化学试剂和能量以产生更多的ROS提升催化效率。这一现象与低碳可持续发展的理念背道而驰。如何在低能耗条件下高效实现水净化，是当前水处理工艺面临的全球性挑战。

在前期研究中发现，通过在催化剂表面构建具有贫富电子微区的双反应中心（Dual Reaction Centers, DRCs），能有效调控电子在反应体系中快速转移，提高反应效率。例如，LI等通过抗坏血酸修饰双氰胺前体，O原子取代部分N原子形成C—O—C键，诱导催化剂表面电子非均匀分布形成DRCs。在少量PMS触发下能诱导污染物供电子裂解；同时，源于污染物的电子快速转移至富电子中心用于PMS氧化产生ROS，有效氧化污染物。GU等合成了一种Co-ZnS量子点催化剂，利用Co对Zn的晶格掺杂导致表面产生硫空位，形成表面电子非平衡分布的DRCs催化剂。在实验过程中，PMS吸附在硫空位通过捕获污染物的电子而高效还原，生成ROS以去除污染物。进一步研究发现，水中氧气也通过富电子中心得到电子并参与反应。DO得电子可分别产生超氧自由基（一电子过程）、过氧化氢（二电子过程）以及羟基自由基（三电子过程）等，随着DO得电子越多，其产物越丰富。然而，如何有效调控水中DO的定向微活化（一电子过程），有效利用源于污染物本身有限的电子，减少DO多电子还原过程造成的能量损耗，提高反应过程中电子和能量的高效利用，对开发新型、低碳水处理技术具有重要意义。

本研究通过制备具有表面电子非均匀分布的铜铈氧化物双反应中心催化剂（CCO），在微量过氧化物的微调控下实现水中DO的快速一电子活化，避免多电子还原过程，有效提高水处理过程能量利用效率，实现低能耗水净化。研究表明，CCO体系对多种难降解有机物具有优异的去除性能，并且可适应复杂水体。此外，利用X射线粉末衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、自由基电子顺磁共振（EPR）等表征测试技术分析CCO的微观结构并揭示该体系中微量过氧化物协助的DO活化驱动水净化机制。

部分图表

图1 CCO/PMS水净化体系的性能评价

图2 CCO水净化体系小试装置和净化餐厨废水的三维荧光图谱

图3 CCO的SEM、HRTEM图谱及其元素分布图

引文格式

方谦, 杨东旋, 孙英涛, 付紫薇, 吴沅忠, 曹文锐, 胡春, 吕来. 过氧化物微调控铜铈双反应中心催化剂诱发氧活化驱动水净化[J/OL]. 能源环境保护: 1-10[2025-01-09]. https://doi.org/10.20078/j.eep.20250102.

FANG Qian, YANG Dongxuan, SUN Yingtao, FU Ziwei, WU Yuanzhong, CAO Wenrui, HU Chun, LYU Lai. Peroxide-micro-modulated dual reaction center catalyst inducing oxygen activation for water purification[J/OL]. Energy Environmental Protection: 1-10[2025-01-09]. https://doi.org/10.20078/j.eep.20250102.

　　责任编辑：宫在芹

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