石墨烯气凝胶负载的单原子钴催化剂 在5个活性位点上诱导臭氧发生，从而提升电过氧化物法的水净化效果

《Applied Catalysis B: Environment and Energy》：Graphene Aerogel Supported Single Atom Co-N 5 Sites induce Ozone Activation for Enhanced Electro-peroxone Water Decontamination

本研究开发了一种三维石墨烯气凝胶负载的Co-N5单原子催化剂（CoNC@rGA），显著提升电臭氧水处理中草酸降解速率至0.226 min?1。机理表明，Co-N5结构通过增强O3吸附和电子转移，协同电生H2O2促进?O和1O2生成，从而加速催化臭氧分解，并有效去除含氯实际废水中的有机污染物。

　　本研究聚焦于开发一种新型的单原子催化剂，用于提升电-过氧（EP）工艺在水处理中的性能。EP作为一种基于臭氧的高级氧化工艺，因其高效、低能耗和环境友好等优势，已被广泛应用于工业废水的处理。然而，在酸性条件下，臭氧的催化活性仍存在不足，这限制了其在实际应用中的效果。为此，研究人员设计了一种以三维石墨烯气凝胶（rGA）为载体、钴（Co）单原子与五氮配位的催化剂（CoNC@rGA），并成功实现了其制备。实验和理论研究表明，该催化剂在EP系统中表现出优异的臭氧活化能力，其对草酸（OA）的降解速率是传统无石墨烯的CoNC催化剂的6.3倍，且在单位反应速率上也优于大多数已报道的工作。

这一突破性的成果来源于Co-N5活性位点的协同作用。在EP系统中，通过电极生成的H2O2与CoNC@rGA中的Co-N5位点共同作用，激活臭氧分子，从而生成多种活性氧物种（ROS），包括单重态氧（1O2）、羟基自由基（•OH）以及吸附态的活性氧（?O）。这些ROS在污染物降解过程中发挥了关键作用，特别是在处理难降解有机污染物时，能够显著提升反应效率。研究还发现，Co-N5配位结构与三维rGA骨架的结合，不仅增强了臭氧的吸附能力，还降低了ROS生成的能垒，从而加速了臭氧的分解过程。这种结构设计使得催化剂在酸性环境中依然保持高效性能，为EP技术的发展提供了新的思路。

本研究的核心在于探索如何通过材料设计和结构调控，提升臭氧的催化效率。传统的单原子催化剂多以金属-氮4（M-N4）结构为主，这种结构虽然在某些反应中表现出良好的性能，但在催化臭氧方面仍存在局限。相比之下，Co-N5结构能够更有效地促进电子转移和臭氧活化，这在实验中得到了验证。通过结合石墨烯气凝胶的特性，如高比表面积、优异的导电性和快速的传质性能，研究人员成功构建了具有协同作用的催化剂体系。这种设计不仅提升了臭氧的分解速率，还优化了ROS的生成路径，从而提高了污染物的去除效率。

此外，本研究还关注了实际应用场景中的性能表现。实验表明，CoNC@rGA/EP系统在处理含有氯离子的溶液以及实际的煤化工废水中，均展现出良好的性能。这说明该催化剂不仅适用于实验室条件下的研究，还具有实际应用的潜力。通过优化催化剂的结构设计，研究人员实现了对臭氧分子的高效活化，这在水处理领域具有重要意义。特别是对于难降解有机污染物的处理，该催化剂能够显著提升反应速率，从而提高整体的处理效果。

在合成方法方面，研究采用了一种三步工艺来制备CoNC@rGA催化剂。首先，通过Co-ZIF-8的生长和Co-MOF的形成，构建了初步的催化结构；其次，将Co-MOF与石墨烯氧化物（GO）进行自组装，随后通过冷冻干燥和高温热解处理，最终得到CoNC@rGA复合材料。这一过程不仅保证了催化剂的均匀分布，还有效避免了传统合成方法中可能存在的缺陷，如结构不均和传质受限。通过这种方法，研究人员成功制备了具有高催化活性的CoNC@rGA催化剂，并验证了其在EP系统中的优越性能。

在催化剂表征方面，研究通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）对制备的催化剂进行了详细分析。结果表明，CoNC@rGA具有三维多孔网络结构，这种结构不仅提供了更大的表面积，还为活性位点的分布和反应的进行创造了有利条件。此外，研究还通过X射线光电子能谱（XPS）和X射线衍射（XRD）等手段，分析了催化剂的化学组成和晶体结构。这些表征结果进一步验证了Co-N5结构的形成及其在臭氧活化过程中的作用。

通过理论计算，研究人员进一步探讨了催化剂在臭氧活化过程中的反应机制。研究发现，Co-N5结构能够有效促进电子转移，从而增强臭氧的分解效率。同时，三维rGA骨架的引入，不仅改善了催化剂的传质性能，还提供了更加稳定的微环境，使得Co-N5活性位点能够更高效地发挥作用。这种协同作用使得CoNC@rGA在EP系统中表现出优异的性能，特别是在酸性条件下，能够显著提升反应速率。

综上所述，本研究通过创新的结构设计和材料合成方法，成功开发了一种新型的单原子催化剂，用于提升EP工艺在水处理中的性能。该催化剂在酸性条件下表现出优异的催化活性，其对草酸的降解速率显著高于传统催化剂。此外，研究还验证了Co-N5结构在臭氧活化过程中的作用，以及三维rGA骨架对传质性能和反应效率的提升效果。这些发现不仅为EP技术的发展提供了新的理论依据，还为未来设计高效、稳定的碳基单原子催化剂提供了重要参考。