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硫酸根自由基高级氧化技术(Sulfate radical-based advanced oxidation processes,SR-AOPs)由于其产生的氧化活性物种(如SO4·-、·OH、1O2)具有更高的氧化电位、更广的pH适用范围等优点,成为降解有机污染物最具发展潜力的新技术之一。然而,过硫酸盐作为SR-AOPs中的氧化剂,在常温下比较稳定,只有在外界激发源或催化剂的作用下才能产生高氧化活性物种,其中,碳基催化剂能够克服均相催化剂及金属氧化物催化剂导致的二次污染问题,且具有较高催化活性,被认为是绿色修复技术中最有潜力的催化剂之一。在SR-AOPs,碳基催化剂的活性中心与杂原子掺杂、sp2杂化结构、缺陷度(暴露的边缘缺陷位)及表面官能团密切相关。本论文综合考虑以上四个影响碳材料催化活性的因素,通过对碳基催化剂结构及活性位进行优化,设计了四种高效的碳基催化剂,并以环境水体中常见的芳香族有机物(苯酚、邻苯基苯酚、双酚F、萘普生)作为模型污染物,用于评价催化剂活化过硫酸盐的催化活性。将实验数据与催化剂表征结果相结合,进一步探究了催化剂的结构、组成与催化活性之间的关联机制。主要研究内容及结果如下:1、催化剂的活性与其活性位种类及暴露的活性位数量密切相关,所以本研究采用硬模板法制备了一系列氮掺杂介孔碳催化剂(N-dopedmesoporouscarbon,NMC)。通过改变合成过程中杂氮前驱体的种类,及控制碳化温度,调节NMC催化剂中氮元素含量及不同化学结构的氮比例,并分别研究了其活化过一硫酸氢盐(Peroxymonosulfate,PMS)降解邻苯基苯酚(O-phenylphenol,OPP)的催化活性。表征结果显示,提高碳化温度虽然会导致氮元素的流失,但会增加结构稳定的石墨氮比例。具有大比表面积及规整孔道结构的NMC能够高效地活化PMS降解OPP,其催化活性随碳化温度的增加(700℃、850℃、1000℃)呈火山型变化规律,并与氮元素含量及氮种类密切相关。该研究为高效氮掺杂碳基材料的设计提供了新思路。2、以含钴的卟啉大环化合物维生素B12(Vitamin B12,VB12)为前驱体,采用等体积浸渍法制备了 Co掺杂的限域型CoCNx@SBA-15催化剂,同时采用普通浸渍法制备了 CoCNx/SBA-15和CoCNx/SiO2作为对比催化剂,并研究了它们活化PMS降解萘普生(Naproxen,NPX)的催化效率。与对比催化剂相比,限域型CoCNx@SBA-15催化剂的活性位点CoCNx主要分布在SBA-15孔道内而非表面。由于限域效应及钻物种与CNx之间的协同作用,CoCNx@SBA-15在活化PMS降解NPX中表现出最高的催化活性,甚至高于均质催化体系Co2+/PMS,且能够有效地抑制催化剂中钴离子的流失。3、以反丁烯二腈为前驱体,采用水热法合成了具有石墨结构的氮掺杂碳量子点(N-Doped carbon quantum dots,NCQDs),并通过浸渍法将其负载于不同载体(Al2O3、CeZrO2、SiO2)上,制备了高边缘缺陷位的负载型氮掺杂碳量子点催化剂(NCQD/Al2O3、NCQD/SiO2 和 NCQD/CeZrO2)。NCQD/SiO2、NCQD/CeZrO2和NCQD/Al2O3的等电点(IEPs)分别是<2.0、5.8、7.6,NCQDs均匀地分布在高等电点Al2O3(IEP=8.1)和CeZrO2(IEP=6.2)载体上。负载的NCQDs提供活化过二硫酸盐(peroxydisulfate,PDS)的活性位点;催化剂与过硫酸根阴离子(S2O82-)静电作用差异是造成催化活性差异的主要原因,在中性反应条件下,NCQD/Al2O3表面带正电,与S2O82-存在静电引力,因此NCQD/Al2O3的催化活性显著高于 NCQD/SiO2和NCQD/CeZrO2。NCQD/Al2O3 的初活性随 NCQDs 负载量的增加呈火山型趋势,以NCQDs负载量标化后的初活性随NCQDs负载量的增加而逐渐降低,这是因为负载量越高,单位质量的NCQDs暴露的活性位越少。此外,PDS在催化剂表面的活化符合Langumir-Hinshelwood模型,表明PDS在催化剂上的吸附是反应速率的控制步骤。4、在研究中发现,碳基催化剂存在失活现象,本研究中以结构较为稳定的碳纳米管及杂氮碳纳米管(CNT和NCNT)为模型催化剂,苯酚为模型污染物,系统地研究碳基催化剂失活和再生过程与表面官能团的关联机制。制备了不同重复使用次数的CNT和NCNT,通过对表征及活性数据分析,发现失活催化剂的表面酸性含氧官能团含量显著增加,其零电点显著下降。采用热还原法和化学试剂还原法对失活的CNT及NCNT催化剂进行再生。再生后的CNT及NCNT表面含氧量下降,催化活性显著提高;不同再生方法得到的催化剂,其催化活性差异较大。热处理再生的CNT催化活性随热处理温度的增加而增加,再生催化剂的活性甚至高于新鲜CNT催化剂;而NCNT催化剂热处理只能恢复其部分催化活性,在750℃处理的再生催化剂,其催化活性甚至低于550℃处理的再生催化剂。本研究对不同的碳基催化剂设计不同的活化再生策略并探究它们的再生机理,为SR-AOPs的工业化应用提供了理论基础。