磷烯-硼化物纳米杂化材料双路径活化高碘酸盐用于水处理

《Journal of Hazardous Materials》：A Phosphorene–Boride Nanohybrid with Dual-Pathway Periodate Activation for Water Purification

本研究开发了一种锚定在剥离黑磷（EBP）上的非晶Fe33Co77硼化物纳米杂化材料（Fe33Co77-B/EBP），通过自由基（HO·、O2·-）和非自由基（1O2、电子转移）双路径机制高效活化高碘酸盐（PI），在近中性pH条件下对氯酚类污染物实现90-99%的去除率，并在连续流反应器中保持168小时稳定运行，为水净化提供了新型高效催化剂。

　　

材料与方法

所有原材料的来源、纯度和处理方法详见支持信息文本S1。

微观结构和元素分析

通过扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）对催化剂的形貌和微观结构进行研究。EBP基底（图2a）呈现典型的层状结构，表面光滑无孔，表明其结构完整性高。相比之下，未使用EBP合成的Fe₃₃Co₇₇-B纳米颗粒（图2b）出现严重团聚，表明分散性差且表面能高。当与EBP杂化后，Fe₃₃Co₇₇-B纳米颗粒均匀分散。

结论

本研究开发了一种新型杂化催化剂，由锚定在EBP上的非晶Fe₃₃Co₇₇硼化物纳米片组成，为基于PI的高级氧化工艺（AOPs）在水净化中的应用提供了新范式。独特的异质结构设计结合了黑磷的高导电性、双金属硼化物的丰富催化位点和氧化还原灵活性。该催化剂促进了强大的界面电荷转移，并在苛刻的氧化条件下稳定了结构和反应活性。通过全面的机理研究，我们揭示了双路径PI活化机制，涉及自由基（HO·、O₂^·-）和非自由基（¹O₂、直接电子转移）过程。Fe₃₃Co₇₇-B/EBP–PI系统在近中性pH条件下对多种代表性污染物（如2,4-二氯苯酚、双酚A）表现出优异的去除效率（90-99%），并在连续流反应器中运行168小时仍保持超过94.3%的活性，展示了卓越的稳定性和实际应用潜力。这项工作为设计耐用、可回收且可扩展的过渡金属硼化物-磷烯杂化材料用于可持续水净化提供了新思路。

环境意义

Fe₃₃Co₇₇-B/EBP杂化催化剂通过耦合自由基和非自由基途径，能够高效、持久地实现水净化，对难降解污染物具有广谱降解能力。它在复杂水体基质中保持高活性，并在连续流系统中具有长期稳定性，突出了其在分散式废水处理中的实际潜力。极低的金属浸出和中间产物的脱毒作用降低了二次污染风险，确保了环境安全性。此外，该催化剂的设计理念可超越水处理领域，为能源和环境应用中的异质结构催化剂设计提供参考。

作者贡献声明

Yunjin Yao: 撰写初稿，监督，项目管理，概念化。 Shaobin Wang: 审阅编辑，项目管理，概念化。 Axue Luan: 验证，资源。 Min Wang: 验证，资源。 Ziwei Ma: 验证，数据整理。 Siyuan Wang: 撰写初稿，研究调查，数据整理。 Minyu Chen: 研究调查，数据整理。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本研究报告的已知竞争性财务利益或个人关系。

所有作者声明不存在任何可能不适当地影响本研究报告的其他人员或组织的财务和个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号21876039）的资助。Y. Yao感谢中国国家留学基金委（编号202106695010）的奖学金支持。同时感谢澳大利亚研究理事会对FL230100178项目的部分支持。