负载铜的碳催化剂对过二硫酸盐的高效活化，用于降解高浓度的刚果红

《Industrial Crops and Products》：Efficient activation of peroxodisulfate by Cu-loaded carbon catalysts for the degradation of highly concentrated Congo red

CuC700催化剂通过氯ophyllin钠铜盐热解制备，高效活化PDS降解100 mg/L Congo red达90.69% (10 min)，机理涉及DFT计算验证的Cu-N-C电子转移及O-O键延长（1.512 ?）。氮掺杂与Cu负载协同增强吸附/活化性能，中性环境最佳，动态降解600 min保持>90%效率，生物毒性显著降低。

　　在这项研究中，科学家们提出了一种创新的催化剂——铜簇负载碳（CuC）材料，用于高效降解高浓度的 Congo red（CR）染料。Congo red 是一种常见的有机染料，因其芳香结构和高度稳定性而难以被传统方法降解，对水生生物的繁殖造成干扰，并具有致癌和致突变性。此外，它还可能引发皮肤刺激和呼吸系统疾病，因此，开发一种能够快速、高效、安全地降解 CR 的技术对于工业废水处理具有重要意义。

研究团队采用了一步热解法，以铜盐氯化钠铜盐（chlorophyllin sodium copper salt）为前驱体，合成出 CuC 催化剂。这种热解过程不仅使铜簇与碳层结合，还提升了材料的吸附性能和电子传输能力。实验结果显示，当使用 CuC₇₀₀（在 700℃ 下热解得到）激活过硫酸盐（PDS）时，CR 的降解效率在 10 分钟内达到了 90.69%，而在 600 分钟的动态降解过程中，CR 的降解率仍保持在 90.26% 左右。这一结果表明，CuC₇₀₀ 在短时间内对高浓度 CR 具有优异的降解性能。

随着热处理温度的升高，Cu 铜簇的结晶性也随之增强。在热处理后，CuC 催化剂中出现了更多的吡咯氮（pyrrole nitrogen），同时形成了 Cu⁺ 金属物种。这说明铜的价态变化和氮的掺杂对催化剂的性能有重要影响。此外，实验还发现，中性环境最有利于 CR 的降解，但腐殖酸（humic acid）的存在会抑制降解过程。在 CR 降解过程中，主要的活性物质包括单线态氧（¹O₂）和超氧自由基（•O₂^?），而第一性原理计算表明，Cu 铜簇在碳层上的负载显著增强了 PDS 的吸附能力，使 O-O 键长度从 1.469 增加到 1.512 ?，这可能有助于提高反应的活性和选择性。

氮掺杂和铜簇负载的碳材料（如 CuC₇₀₀）在增强 PDS 吸附能力和电子传输方面表现出色。这种增强效应不仅提升了催化剂的反应效率，还改善了其对 CR 的降解性能。通过定量结构-活性关系（QSAR）分析，研究人员发现，CR 分子中氮-氮键（N-N）是主要的断裂位点，而降解产物的总体毒性显著降低，这表明该催化剂不仅能够有效降解 CR，还能减少其降解产物对环境的潜在危害。

为了进一步探索 CR 的降解机制，研究团队还进行了反应路径分析。结合活性位点预测和质谱峰位置，CR 的降解过程可以分为多个阶段。首先，ROS（如 ¹O₂、•O₂^?、•OH 和 •SO₄^?）会优先攻击 CR 分子中的某些区域，如 S-O 键和 N-N 键，导致其逐步分解为较小分子量的中间产物，如苯胺（aniline）。随后，这些中间产物可能进一步被氧化为更简单的化合物，如丁醇、乙二醇和尿素等，最终矿化为 CO₂ 和 H₂O。这种反应路径不仅揭示了 CR 的降解过程，还为设计更高效的降解系统提供了理论支持。

此外，研究还探讨了催化剂在实际应用中的稳定性问题。通过循环实验，CuC₇₀₀ 在连续使用 600 分钟后仍能保持较高的 CR 降解效率，达到 90.26%。同时，结合吸附步骤后，总有机碳（TOC）的去除率进一步提升至 86.40%，表明该催化剂在动态催化-吸附系统中具有良好的稳定性和重复使用性。

为了验证反应机制，研究团队还通过电子自旋共振（EPR）光谱检测了反应过程中产生的活性物种，并通过实验手段确认了 ¹O₂ 在 CR 降解中扮演了关键角色。同时，实验发现，CuC 催化剂不仅能够有效激活 PDS，还能通过电子转移和吸附增强反应的进行。相比之下，单独使用 PDS 时，CR 的降解效率仅为 27.15%（在 28 分钟内），而 CuC₇₀₀ 与 PDS 的协同作用显著提高了降解效率。

研究团队还进一步分析了 CR 降解产物的生物毒性。通过毒性计算软件，他们发现 CR 降解后的中间产物具有较低的致突变性，且其生物累积因子也明显下降，表明该降解过程对环境的影响较小。这一发现为 CuC₇₀₀ 在实际废水处理中的应用提供了安全性和环保性的支持。

为了解决 CuC 催化剂在实际应用中的可行性问题，研究团队还尝试将其负载在木材上，形成一种木基 Cu-碳复合材料（CW-Cu）。这种材料不仅保留了 CuC 的优异催化性能，还具备更好的可操作性和可运输性，从而拓宽了其在不同环境下的应用范围。实验表明，CW-Cu-激活的 PDS 在 32 分钟内对 CR 的降解率达到 91.13%，显示出良好的实际应用潜力。

总体而言，这项研究为高效降解高浓度 CR 提供了一种新的方法。通过一步热解法合成的 CuC 催化剂，结合 PDS 的氧化能力，能够快速、有效地将 CR 分解为无害的小分子化合物。此外，氮掺杂和铜簇负载不仅提升了催化剂的吸附能力和电子传输效率，还增强了其对 PDS 的激活效果。研究还表明，中性环境是 CR 降解的最佳条件，而某些有机物（如腐殖酸）可能对反应产生抑制作用。因此，在实际应用中，应考虑这些因素以优化降解效果。

综上所述，这项研究不仅为 CR 的降解提供了新的思路，还为开发高效、环保的工业废水处理技术奠定了基础。CuC 催化剂的合成方法简单、成本较低，同时具有良好的催化性能和稳定性，有望在实际污水处理中得到广泛应用。此外，研究团队还提出了多种可能的降解路径和机制，为后续的实验验证和应用拓展提供了重要的理论支持。未来，可以进一步优化催化剂的制备工艺，探索其在不同污染物降解中的适用性，并评估其在实际废水处理中的经济性和可行性。