2023级博士生刘宏达发表SPT：纳米片上碳层包裹的ZnFeOx纳米粒活化过一硫酸盐高效选择性生成单线态氧

第一作者：刘宏达 2023级博士生

通讯作者：曾光明教授、程敏副教授

论文DOI： https://doi.org/10.1016/j.seppur.2025.134397

图文摘要

成果简介

本研究制备了一种负载在碳纳米片上被碳层包裹ZnFeOx纳米粒的类芬顿催化剂，应用于活化过一硫酸盐高效选择性生成单线态氧降解苯酚。

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单线态氧（¹O₂）具有独特的亲电性和较长的寿命，可在高级氧化过程中选择性地降解富电子污染物。本文研究了锌铁氧化物 (ZnFeOx)纳米粒封装在导电碳壳中，并通过纳米锚定策略锚定在MOF-5衍生的碳纳米片上，用于高效活化 PMS，表现出以90.36%的选择性生成¹O₂。得益于以¹O₂为主导的机理，Fe-MOF-5-900/PMS系统表现出了广泛的pH适应性（3-11）和对无机阴离子的高耐受性。理论计算揭示，与MOF-5衍生的碳相比，在MOF-5衍生的碳纳米片上引入Fe会增强对PMS分子的吸附。机理研究表明，¹O₂主要来源于SO₅^•-自由基的自反应生成。

图文导读

催化剂的表征

Fig. 1. (a) Schematic of the preparation strategy for Fe(acac)₃-MOF-5-900 and Fe(NO₃)₃-MOF-5-900; (b-d) HRTEM, (e) SEM, (f) EDS mapping images, (g) XRD patterns, (h) Raman spectra, (i) XPS survey spectra and (j) C 1s XPS spectra of Fe(acac)₃-MOF-5-900.

通过以上表征，可以确定ZnFeOx纳米粒被碳层包裹并锚定在碳纳米片上。

性能测试

Fig. 2. Three-dimensional excitation-emission matrix (3D-EEM) fluorescence spectroscopy of (a) phenol, (b) H₂O, and samples collected at specific time intervals during PMS activation in the (c) Fe(acac)₃-MOF-5-900/PMS system and (d) Fe(NO₃)₃-MOF-5-900/PMS system.

Fig. 3. (a) Kinetics of phenol degradation by PMS catalyzed by PMS, Fe(acac)₃-MOF-5-900/PMS, Fe(NO₃)₃-MOF-5-900/PMS and MOF-5/PMS. (b) Comparison of the rate constants between different prepared catalysts. (c) Effects of KSCN on the phenol degradation by Fe(acac)₃-MOF-5-900/PMS system and Fe(NO₃)₃-MOF-5-900/PMS system. (d) The rate constants of Fe(acac)₃-MOF-5-900/PMS system and Fe(NO₃)₃-MOF-5-900/PMS system at different PMS dosages.

Fe-MOF-5-900/PMS体系具有良好的污染物去除性能，在15分钟内实现苯酚的完全去除，表现出优异的环境适应性和实际应用潜力。

Fig. 4. (a) k_obs values of phenol removal under different quenching conditions. EPR spectra of (b) SO₄^•−, •OH, (c) •O₂^- and (d) ¹O₂ in these two systems. (e) relative proportion of ¹O₂ in Fe(acac)₃-MOF-5-900/PMS system and Fe(NO₃)₃-MOF-5-900/PMS system.

Fig. 5. (a) The transformation experiments of DPBF in (a) Fe(acac)₃-MOF-5-900/PMS system and (b) Fe(NO₃)₃-MOF-5-900/PMS system. (c) Schematic diagram of catalytic reaction for phenol degradation.

淬灭实验、EPR测试、基于探针化合物定量实验表明单线态氧是Fe-MOF-5-900/PMS体系的主要活性物种，对该催化过程的贡献约为90.36 %， 并且¹O₂主要来源于SO₅^•-自由基的自反应生成。

小结

本研究开发的催化剂通过在MOF-5中引入Fe位点并通过高温煅烧制备得到，实现90.3%高选择性的产生单线态氧。该催化剂具有以下优势：(1) 显著提升反应动力学（k=0.2031 min^-1）；(2) 强抗干扰能力（宽pH 3-11范围内保持高降解效率，可抗腐殖酸干扰降解苯酚）；(3) 低的铁离子浸出；(3) 在实际水体的苯酚降解中也表现出高活性。这些发现为选择性和可控性生成单线态氧的催化剂提供了一种合理的设计策略，从而能够在复杂的水体系中精确定位难处理的富电子污染物。