氮掺杂三维碳材料激活耦合过硫酸盐系统去除水体新兴有机物的研究

Removal of the refractory emerging organic pollutants (eg. Pharmaceutical and personal care products, PPCPs) with low concentration becomes the intractable problem in China. Developing an advanced oxidation process (AOP) by integrating persulfates and ozone/ultrasound is in urgent demand. This project aims at preparing 3D hierarchical carbon materials to circumvent the metal leaching problem during the metal-based catalysts systems. Enhancement of activity and stability of the carbon catalysts would be achieved by doping with nitrogen atoms within the carbon structure. By coupling with ozone or ultrasound, the persulfates would be efficiently activated to produce reactive species. Meanwhile, the synergistic effects between the coupled technologies and persulfates would result in the better mineralization of the emerging organic pollutants. Research attention will focus on the controllable synthesis of the nitrogen doped 3D hierarchical carbon materials, the influence of low dimensional carbon precursors and nitrogen-containing precursors on catalytic activities and stabilities of the carbon materials. Moreover, the reaction active sites and the reaction mechanism of coupled persulfates systems will be systematically investigated by surface and structure characterization of the materials, free radical detection and density functional theory based calculation.

水体中低浓度、难降解的新兴有机污染物（如药品和个人护理品，PPCPs）的脱除是我国水污染控制领域所面临的新问题。因此基于过硫酸盐高级氧化技术，并利用超声、臭氧等清洁技术的协助，发展一种过硫酸盐耦合系统具有重要的环保意义。本项目拟通过合成具有三维结构的碳材料以彻底避免金属催化剂在使用过程中溶出问题，并采用掺杂氮原子的方式以提高碳材料的催化活性、稳定性和循环利用效率，通过碳材料本身的催化效果和超声/臭氧与过硫酸盐之间产生的协同作用，开发一种高效、清洁和深度去除水体中新兴有机污染物的技术。本项目通过研究氮掺杂三维结构碳材料的可控制备，含氮前驱物种类及掺杂率对三维结构碳材料催化活性剂稳定性的影响；结合材料结构和表面特性表征、自由基检测、量化计算，以揭示反应活性位及氮掺杂三维结构碳材料激活耦合过硫酸盐系统的机理。

水体中低浓度、难降解的有机污染物的脱除是我国水污染控制领域所面临的新问题。因此发展一种高效催化氧化技术具有重要的环保意义。本项目围绕新兴有机污染物的高效催化氧化降解，分别从催化过硫酸盐氧化和催化臭氧氧化出发，利用所制备的非金属纳米碳材料和金属基催化材料，对催化反应效率，催化活性位点，活性氧物种的产生、演变及协同作用和污染物的降解过程进行了深入探究，开发了一种高效、清洁和深度去除水体中新兴有机污染物的技术。在催化过硫酸盐氧化方面，本项目通过表面锰的负载提升了碳球的催化活性，并阐明了其活性位点及自由基的产生路径；合成了具有形貌控制的过渡金属掺杂钙钛矿催化剂，揭示了其暴露的晶面及氧空位为主要的催化过硫酸盐活性位点。同时发现臭氧-过硫酸盐耦合催化氧化体系可通过所产生的活性物种间的协同作用，有效提升对有机污染物的降解效率，并阐明了其耦合机制。在催化臭氧氧化方面，本项目围绕纳米碳材料，利用实验表征与理论计算相结合的方式开展了一系列工作：通过研究由废石墨经纯化制备的石墨烯的催化臭氧活性，探究了臭氧在石墨烯表面的相互作用，并揭示了石墨烯材料的催化活性位点；通过制备氮掺杂纳米碳材料并与非掺杂碳材料对比，明晰了氮掺杂对石墨烯片层电荷分布和电子传递性能的影响和掺氮后催化臭氧活性位的改变；通过构建三维结构碳材料，揭示了三维结构所产生的限域空间对催化活性的影响。本项目通过淬灭实验与原位表征实验结合的方式探究了催化臭氧氧化中活性含氧物种的产生和演变过程，并发现了纳米碳材料催化臭氧氧化过程中的非自由基反应。除了纳米碳材料外，本项目还制备了具有三维团簇结构的钙钛矿材料，并考察了其催化臭氧的活性，并通过实验表征和理论计算证实表面金属离子及氧空位为主要的活性位点。本项目的成功开展对今后高活性催化材料的理性制备提供了指导方向，并为催化过硫酸盐、催化臭氧氧化及其耦合体系机理的进一步探究打下坚实理论基础。