活化过硫酸氢盐(PMS)产生硫酸根自由基(SO4·-)的高级氧化技术具有氧化能力强、自由基寿命长、受pH影响小及矿化效率高等优点,在有机污染物降解领域有良好的应用前景。尽管基于过渡金属或金属氧化物的催化方法可以有效活化PMS,但该过程始终存在金属溶出的潜在危害。利用环境友好、价格低廉的碳催化剂替代金属催化剂用于PMS活化具有重要意义,然而现有碳材料对PMS的活化效率及稳定性都有待提高。此外,碳材料活化PMS的活性位点与催化机理仍不明确,限制了高性能碳基PMS催化剂的开发。针对上述问题,论文以金属有机骨架(MOFs)为前驱体,构建了氮掺杂多孔碳、钴氮共掺杂多孔碳及氮掺杂多孔碳包覆钴金属核壳催化剂增强PMS活化效率。利用MOFs种类多样、结构可控的特点,探究催化剂结构、掺杂元素含量及形态与催化性能之间的构效关系,为制备高效、稳定、廉价的碳基PMS催化剂提供科学依据与理论指导。主要研究内容及结果如下:(1)选择不同含氮MOFs前躯体(ZIF-8、IRMOF-3、NH2-MIL-53及MOF-5)及不同碳化温度(800℃、900 ℃、1000 ℃及1100 ℃),制备出具有不同氮含量及氮形态的氮掺杂多孔碳。以苯酚、双酚A、罗丹明B及甲基橙为目标物,考察了氮掺杂多孔碳的PMS催化效率并探究氮含量及氮形态与催化性能之间的构效关系。实验结果表明,氮掺杂多孔碳活化PMS的性能相比于未掺氮多孔碳明显增强,甚至强于均相Co2+(报道过最优的PMS催化剂);石墨氮含量越高,氮掺杂多孔碳催化性能越强。以ZIF-8为前躯体在1000 ℃时碳化制备的氮掺杂多孔碳具有最高的石墨氮含量,其催化PMS降解苯酚的动力学常数(0.079 min-1)是不掺氮多孔碳(0.018 min-1)的4.4倍。催化体系中存在自由基过程(SO4·-与·OH)与非自由基过程,其中自由基的贡献占60%。石墨氮在PMS活化中起关键作用,其能显著改变邻位碳原子的电荷分布并激活碳原子,促进PMS在碳上的吸附及解离。(2)选择钴取代的ZIF-8为前躯体,制备出具有不同钴含量的钴氮共掺杂多孔碳。以苯酚、双酚 A、阿特拉津及磺胺甲恶唑为目标物,考察了钴氮共掺杂多孔碳的PMS催化性能并探究了钴氮共掺杂的协同作用原理。实验结果表明,钴氮共掺杂协同增强了碳的PMS活化性能。钴氮共掺杂多孔碳催化降解苯酚的动力学常数(0.30 min-1)分别是氮掺杂多孔碳(0.0062 min-1)及钴掺杂多孔碳(0.017 min-1)的48.4倍和17.6倍;其催化生成SO4·-的速率常数(0.72 min-1)分别是氮掺杂多孔碳(0.15 min-1)及钴掺杂多孔碳(0.056 min-1)的4.8倍和12.9倍。随着钴-氮配位结构(Co-Nx)的增加,钴氮共掺杂多孔碳的催化活性明显提高。性能最优的钴氮共掺杂多孔碳催化降解苯酚、双酚A、阿特拉津及磺胺甲恶唑的动力学常数是均相Co2+的1.6-3.4倍。相同条件下,钴氮共掺杂多孔碳的催化活性(以单位质量催化剂降解污染物的反应速率常数来衡量)是目前报道的PMS催化剂如氮掺杂石墨烯、氮掺杂碳纳米管、氮硫共掺杂石墨烯及二氧化锰等材料的1.9-77.6倍。Co-Nx不仅在PMS活化中起到重要作用,其相比钴金属的Co-Co键更高的结合能(781.8 eV)还可以有效抑制钴溶出(钴溶出量小于0.12 mg L-1)。DFT计算结果表明:钴氮共掺杂不仅能通过改变碳的自旋分布及电荷分布协同激活碳原子,也能提供钴活性位点参与PMS活化。钴氮共掺杂多孔碳/PMS体系能有效处理炼油废水二级出水(进水COD=92 mg·L-1),出水COD<50 mg·L-1,满足国家排放标准,且COD与TOC去除率随着催化剂投加量的增大而提高。(3)选择ZIF-67为前躯体,通过两步热处理的方法构建氮掺杂多孔碳包覆钴金属的核壳结构(Co@NPC),并通过改变碳化温度调控多孔碳壳的结构与组成。以苯酚、双酚A及罗丹明B为目标物,考察了 Co@NPC的PMS催化效率并研究了碳壳的结构、组成与催化性能之间的构效关系。实验结果表明,随着碳化温度的升高,碳壳厚度与介孔孔容逐渐增大,催化剂的性能随着介孔孔容与碳壳厚度比值的增加而显著提高。性能最优的Co@NPC催化降解苯酚的动力学常数(0.41 min-1)分别是均相Co2+(0.089 min-1)和多相Co3O4(0.0037 min-1)的4.6倍和110.8倍,甚至优于第二个工作中钴氮共掺杂多孔碳催化降解苯酚的动力学常数(0.30 min-1)。此外,包覆的碳层数大于3时,Co@NPC表现出良好的可重复性与稳定性,经五次重复使用后性能几乎没有改变。钴最大溶出百分比为2%,小于第二个工作中钴氮共掺杂多孔碳的钴最大溶出百分比(3%)。碳壳的介孔孔容与厚度是影响催化性能的重要因素,介孔增多有利于传质,而适中的碳壳厚度既能避免钴溶出,又有利于内核金属与碳外壳的相互作用进而提高碳的催化活性。此外,Co@NPC的催化性能还受到Co-N配位结构含量及石墨氮含量的影响。