宁波材料所采用operando冷冻电子顺磁共振波谱仪在水处理高级氧化技术上取得系列进展

水是人类赖以生存的重要物质，但我们面临着可用淡水资源匮乏的难题。污水处理与回用是重要的应对举措之一。常规的混凝沉淀、过滤分离、生化处理等方法能够有效处理大部分污水；然而，医药、农药、化工等高化学需氧量(COD)、高毒性、难生化污水的处理，仍有很大难度。高级氧化技术通过催化氧化剂(臭氧、双氧水、过硫酸盐等)产生活性氧物种(羟基自由基、超氧自由基、硫酸根自由基等)，将大多数有机污染物氧化降解，甚至完全矿化，是难生化COD处理的主要技术。

建组三年来，中国科学院宁波材料技术与工程研究所氢能材料与应用系统技术实验室电化学环境催化团队在陆之毅研究员的带领下，致力于高级氧化技术催化剂的开发与应用，围绕过一硫酸盐(PMS)、臭氧(O3)、过氧化氢(H2O2)活化中“催化剂的活性与稳定性”“构效关系”以及“催化机理”开展了深入的基础与应用研究，并取得系列进展。

在PMS活化方面，团队发现晶态Ni(OH)2通过非自由基路径活化PMS，产生单线态氧；而非晶态Ni(OH)2通过自由基路径活化PMS，产生羟基自由基和硫酸根自由基。Ni(OH)2结晶状态的改变，引起PMS活化路径的改变。非晶态Ni(OH)2活化PMS降解罗丹明B的速率约是晶态Ni(OH)2的24倍。该工作以“Transformation from a non-radical to a radical pathway: Via the amorphization of a Ni(OH)2 catalyst as a peroxymonosulfate activator for the ultrafast degradation of organic pollutants”为题发表在国际知名期刊Nanoscale上(Nanoscale, 2021, 13, 7700, DOI: 10.1039/d1nr00933h)。团队制备了超薄镍铝水滑石(NiAl-LDH)(厚度约4.3nm)，发现它对磺胺类抗生素具有超吸附现象，促进了这类污染物在PMS/超薄NiAl-LDH体系中的降解，其降解速率约为PMS/普通NiAl-LDH体系中的44倍。该工作以“Ultra-adsorption enhancing peroxymonosulfate activation by ultrathin NiAl-layered double hydroxides for efficient degradation of sulfonamide antibiotics”为题发表在国际知名期刊Journal of Cleaner Production上(J. Clean. Prod., 2022, 369, 133277, DOI: 10.1016/j.jclepro.2022.133277)。

在O3活化方面，团队通过在4A沸石制备中引入氧空位，增加其表面酸度，从而提升其催化臭氧化性能，6min内可去除87.5%的农药(阿特拉津)；并利用氧空位淬灭和活性氧物种捕获，深入研究了氧空位在O3活化中所起作用。该工作以“Oxygen vacancies promoted heterogeneous catalytic ozonation of atrazine by defective 4A zeolite”为题发表在国际知名期刊Journal of Cleaner Production上(J. Clean. Prod., 2022, 336, 130376, DOI: 10.1016/j.jclepro.2022.130376)。已授权发明专利“氧空位含量可调的4A沸石及其制备方法与应用”(ZL202110971144.1)。团队又发现过渡金属修饰蒙脱土的催化臭氧化性能与其层间水含量呈负相关，即层间水含量越少，催化臭氧化性能越好。该工作以“The effect of interlayer water of metal-modified montmorillonite for catalytic ozonation”为题发表在国际知名期刊Chemosphere上(Chemosphere, 2023, 312, 137200, DOI: 10.1016/j.chemosphere.2022.137200)。

在H2O2活化方面，团队在商业粉末活性炭(PAC)上构建孤立的Fe位点(Fe-PAC)，实现Fe-PAC在H2O2溶液中的高效、低成本再生。以罗丹明B为模型污染物，Fe-PAC经过24h再生，吸附性能恢复70.5%-92.7%，循环使用次数可达10次以上，再生成本可低至0.35美元/kg，并且适用于含亚甲基蓝或结晶紫的模拟污水。通过operando测试和密度泛函理论(DFT)计算，证实孤立的HO-Fe=O基元通过非自由基路径活化H2O2产生Fe基活性氧物种。该工作以“Cost-effective H2O2-regeneration of Powdered Activated Carbon by Isolated Fe Sites”为题发表在国际知名期刊Advanced Science上(Adv. Sci., 2022, DOI: 10.1002/advs.202204079)。可见光促进Cu-C3N4活化H2O2同样经历非自由基路径。团队采用operando冷冻电子顺磁共振波谱仪(EPR)，表征反应过程中原子级分散Cu位点配位环境的变化，提出新的反应路径。该工作以“Integration of atomically dispersed Cu-N4 sites with C3N4 for enhanced Photo-Fenton degradation over a non-radical mechanism”为题作为supplementary cover发表在国际知名期刊ACS ES&T Engineering上(ACS EST Eng., DOI: 10.1021/acsestengg.2c00261)。

上述工作得到了宁波市“科技创新2025”重大专项(2020Z059、2020Z103和2020Z107)、国家自然科学基金(52201285、61761047和41876055)、宁波甬江引才计划(2021A-036-B和2021A-111-G)、宁波市自然科学基金项目(202003N4351和2019A610442)、中国博士后科学基金(2019M662124和2019M662127)等的支持。穆斯堡尔谱数据及分析由中国科学院大连化学物理研究所先进穆斯堡尔谱中心支持。