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Co₃O₄/CeO₂中空纳米笼活化过一硫酸盐降解水中苯扎贝特

文章出处:人气: 发表时间:2022-03-11 17:31

  苯扎贝特是常用降血脂药物,在废水和地表水中广泛检出,对水生生物具有慢性毒性。开发高效的类芬顿催化剂用于去除这类新兴污染物具有现实意义。中空多孔纳米笼结构因其超高比表面积、内外均可接触的反应界面和快速传质通道,是理想的催化反应器构型。以金属有机骨架(MOF)为牺牲模板,通过控制热解过程,可以制备出保持MOF原始形貌、但组分可调的中空金属氧化物纳米笼。本研究选取了同时含有钴和铈的双金属Co-Ce-MOF作为前驱体,通过一步煅烧,原位得到了Co₃O₄和CeO₂纳米颗粒高度分散、共同构成的中空纳米笼。

  

  在活化过一硫酸盐(PMS)降解苯扎贝特的实验中,该Co₃O₄/CeO₂中空纳米笼催化剂在广泛的pH范围(3-9)内均表现出极高的催化活性,30分钟内即可将初始浓度20mg/L的苯扎贝特完全去除,矿化率超过60%。其催化活性是商业Co₃O₄纳米颗粒的12倍。XPS和EXAFS分析揭示了其高活性的根源:MOF模板衍生保证了Co和Ce两种元素在原子层面的紧密接触,形成了丰富的Co-O-Ce界面。在催化过程中,Co₃O₄表面的Co²⁺负责高效吸附并初步活化PMS,产生的SO₄·⁻和·OH部分作用于有机物;而CeO₂中的Ce³⁺则通过注入电子,将反应中形成的Co³⁺快速还原为Co²⁺,极大地促进了催化循环的限速步骤,同时Ce⁴⁺被PMS还原回Ce³⁺,形成了完美的“Co-Ce双循环”。

  

  自由基捕获和EPR实验证实,SO₄·⁻和¹O₂是体系中的主要活性氧物种。中空纳米笼的限域空间,使得产生的短寿命自由基在逸散前有更高概率与富集在笼内的污染物分子碰撞反应,从而极大提高了自由基的利用效率。在5次循环使用中,催化剂活性保持稳定,金属离子溶出极低。该研究通过精巧的MOF模板合成,构建了具有丰富异质界面和中空限域结构的双金属氧化物催化剂,为水中难降解药物类污染物的深度净化提供了高性能的纳米催化材料。

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