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| FCSE | 前沿研究：掺氮钛炭催化剂可见光催化协同过硫酸盐高级氧化降解苯酚 |
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论文标题：Efficient photodegradation of phenol assisted by persulfate under visible light irradiation via a nitrogen-doped titanium-carbon composite（掺氮钛炭催化剂可见光催化协同过硫酸盐高级氧化降解苯酚）
期刊：Frontiers of Chemical Science and Engineering
作者：Yan Cui, Zequan Zeng, Jianfeng Zheng, Zhanggen Huang, Jieyang Yang
发表时间：15 Oct 2021
DOI：10.1007/s11705-020-2012-z
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研究背景及意义
煤化工废水因其含酚类、多环芳香族化合物及含氮、氧、硫的杂环化合物等高毒污染物，被公认为典型的难降解工业废水。目前高级氧化技术 (AOPs) 凭借氧化能力强、选择性小、反应速率快，而且反应条件温和、无需高温高压等优势已成为废水深度处理的研究热点。利用UV、过渡金属离子是比较常用的活化手段，但这些活化方式存在效率低、金属离子残留等缺点。利用TiO2可提高UV活化过硫酸盐效率，研究表明通过紫外光 (波长小于387.5nm) 激发TiO2产生的电子可被过硫酸盐 (PS) 捕获得到硫酸根自由基。但由于紫外光在自然光源中仅占整个太阳光谱范围的3%–5%，太阳光的能量大部分集中于400–700 nm范围内的可见光区，这就使得直接利用太阳光处理废水中有机污染物的应用受到了很大的限制。因此，开发可利用可见光活化过硫酸盐的催化剂对含酚废水的降解将更具有发展意义和应用前景。
研究内容及主要结论
本文以煤化工废水中典型有机污染物苯酚为目标污染物，从活性炭负载非金属原子掺杂二氧化钛制备工艺入手，考察了其单独可见光催化活性、单独活化过硫酸盐性能，以及可见光催化与过硫酸盐协同降解苯酚的性能；在此基础上进一步考察了催化剂制备及反应条件对催化剂性能的影响，研究了可见光助掺氮钛炭复合催化剂活化过硫酸盐反应机制，揭示了C取代TiO2晶格中Ti的结构是可见光催化的主要原因，过硫酸盐可与催化剂表面光激发电子反应产生硫酸根自由基，而硫酸根自由基是降解有机物的强氧化剂，可以把吸附在催化剂周围的苯酚氧化为CO2和水等无机物；可见光激发电子和空穴后，空穴本身也具有强氧化性，将H2O、OH−氧化成羟基自由基，二者协同对苯酚进行降解。
图文解析
由图1可知，在可见光照射下同时加入PS苯酚的去除率大于单独光催化和单独活化PS降解苯酚的去除率之和，说明光催化和活化PS高级氧化在N-TiO2/AC催化剂降解苯酚的体系中具有协同作用，其中过硫酸盐氧化作用明显大于可见光催化作用。
图1 苯酚在不同反应体系中的去除率
结合图2和图3可以看出：N-TiO2/AC在可见光区的吸光度明显高于TiO2和N-TiO2，说明N、AC的掺杂对N-TiO2的吸光特性有显著的影响。而N-TiO2/AC样品中Ti-O-C、N-Ti-O结构的存在证明了C取代了TiO2晶格中Ti的结构、N取代了TiO2晶格中O的结构，这可能是造成光吸收边带红移的主要原因。通过自由基捕获实验（图4）证明：体系中大量的 ·SO4、·OH及空穴共同作用降解苯酚。其中自由基比空穴对苯酚的氧化效果更突出，而 ·SO4比 ·OH氧化苯酚的能力更强。
图2 催化剂的紫外-可见吸收谱图
图3 N-TiO2/AC的XPS分峰拟合谱图
图4 不同捕获剂对N-TiO2/AC光催化活化PS降解苯酚的影响
研究亮点
通过制备掺氮钛炭复合型催化剂，成功利用了可见光进行催化氧化，并协同过硫酸盐高级氧化降解煤化工典型的含酚废水，与单一的催化氧化技术相比较，降解效率有了明显的提升。
相关成果以“Efficient photodegradation of phenol assisted by persulfate under visible light irradiation via a nitrogen-doped titanium-carbon composite”为题，已发表在Frontiers of Chemical Science and Engineering上（doi: 10.1007/s11705-020-2012-z）。
作者和团队介绍
崔燕（第一作者），中国科学院山西煤炭化学研究所2021级博士研究生，研究方向为废水废气有机物的催化氧化处理技术。
曾泽泉（通讯作者），中国科学院山西煤炭化学研究所副研究员，长期从事工业废水和废气中毒害污染物的环境催化净化材料研究工作。发表SCI论文30余篇，包括ESI高被引论文一篇，申请相关专利10余件。
黄张根（通讯作者），中国科学院山西煤炭化学研究所研究员，博导，从事“煤基污染物控制与资源化利用”研究，承担和完成国家重点研发计划、中国科学院战略先导专项及企业重大委托项目等，发表论文100余篇，授权发明专利20余件。获北京市自然科学二等奖。
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