学术动态

近日，我校西北水资源与生态环境教育部重点实验室、陕西省环境工程重点实验室，太阳成集团tyc33455cc朱维晃教授课题组在环境催化领域知名期刊Applied Catalysis B: Environmental(即时IF为18.91)上发表了题为“Mesoporous sulfur-doped CoFe₂O₄as a new Fenton catalyst for the highly efficient pollutants removal”  (https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2021.120273)的研究成果。论文针对芬顿氧化工艺降解抗生素废水与染料废水展开研究，首次构筑以硫掺杂铁酸钴(S-CoFe₂O₄)高效活化过氧化氢体系，并深入探讨了该新型活化剂的应用性能及活化H₂O₂的微观机制，为非贵金属芬顿催化剂的合成和其在废水处理中的应用提供了新的思路。

图1 S-CoFe₂O₄活化剂的形貌及组成表征

研究结果表明，在未调节的近中性pH条件下，30min内S-CoFe₂O₄/H₂O₂体系对抗生素废水与染料废水的去除率分别可达90 %和100 %左右。与未硫化的CoFe₂O₄相比，硫的掺杂能有效提高催化剂的比表面积，为芬顿反应的进行提供充足的活性位点。此外，S-CoFe₂O₄/H₂O₂体系中的Fe²⁺/Fe³⁺，Co²⁺/Co³⁺和亚硫酸根/硫酸根之间的协同作用，EPR检测结果证实，S-CoFe₂O₄使H₂O₂能够被持续地活化并生成OH^•和O₂^•-等高活性的含氧自由基，从而有效去除污染物。

图2 不同条件下制备的S-CoFe₂O₄活化剂在Fenton反应中的污染物去除效能

本研究首次以S-CoFe₂O₄作为新型芬顿催化材料，克服了传统芬顿氧化工艺中可溶性Fe²⁺的限制，如：pH适用范围的局限，可重复性差以及铁泥的生成等造成的二次污染等。电化学测试表明硫掺杂有效降低了CoFe₂O₄的电子传递内阻，结合密度泛函计算，证实了S-CoFe₂O₄中Fe-S键和Co-S键具有较高的电荷密度，介导不同价态的铁、钴离子得以持续循环利用。最终实现了以较低催化剂的投加量和较少反应时间，在保持活化剂重复可利用性的同时达到了对污染物的高效去除，突破了常规类芬顿氧化工艺的瓶颈。  

图3 硫掺杂前后活化剂分子中的电荷密度

图4 S-CoFe₂O₄介导下的Fenton反应机理示意图

太阳成集团tyc33455cc朱维晃教授和陕西师范大学刘凯强研究员为该论文通讯作者，太阳成集团tyc33455cc2018级博士生高樱为第一作者，该研究得到了陕西省重点产业链研发项目(2019ZDLSF06-02)，国家自然科学基金面上项目(21872091)以及西安市清洁能源重点实验室项目 (2019219914SYS014CG036)的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2021.120273