FeCoNiSmNd共掺杂煤基多孔碳催化剂的设计及其在过一硫酸盐自由基/非自由基活化降解有机污染物中的应用研究

本研究针对水体中难降解有机污染物（如抗生素）的治理难题，以粉煤为碳源创新开发了多稀土元素共掺杂碳基催化剂，实现了过一硫酸盐（PMS）的高效活化。结果表明，所制备的PC-FeCoNiSmNd-700催化剂具有654 m2/g的比表面积，30分钟内对四环素（TC）降解率达95.7%，且在不同水体中均展现优异适应性。自由基淬灭实验证实O2•?、SO4•?、1O2和•OH等多路径协同降解机制，为低成本高效水处理技术开发提供新策略。

　　

随着工业化和医药业的快速发展，难降解有机污染物对水环境的威胁日益严峻。其中，抗生素类物质由于其在自然环境中持久存在且易诱导耐药基因扩散，被世界卫生组织列为21世纪重大公共卫生挑战。四环素（Tetracycline, TC）作为广谱抗生素，在畜牧业和水产养殖中大量使用，其残留物通过饮用水和地表水循环进入生态系统，传统生物处理法难以有效降解，亟需开发高效低成本的深度处理技术。

高级氧化工艺（Advanced Oxidation Processes, AOPs）通过产生活性氧物种（Reactive Oxygen Species, ROS）快速分解污染物，已成为水处理领域的研究热点。过硫酸盐活化体系因其能同时产生自由基（如硫酸根自由基SO₄^•?、羟基自由基•OH）和非自由基（如单线态氧¹O₂）氧化物种而备受关注。其中，过一硫酸盐（Peroxymonosulfate, PMS）因其不对称分子结构更易被激活。粉煤作为富含芳香结构和官能团的碳源，其超细颗粒具有高比表面积和吸附性能，可通过热解碳化构建多孔碳材料。过渡金属（如Fe、Co、Ni）与稀土元素（如Sm、Nd）的协同掺杂能优化电子转移效率，提升催化活性和稳定性。

本研究发表于《Journal of Industrial and Engineering Chemistry》，中国矿业大学材料与物理学院吴震团队以粉煤为碳源，采用溶解-碳化法构建了FeCoNiSmNd多稀土共掺杂煤基催化剂（PC-FeCoNiSmNd），系统探究了其对PMS的活化性能及有机污染物降解机制。

关键技术方法

研究通过高温碳化（700℃和800℃）将粉煤与金属盐前驱体（硝酸铁、硝酸钴等）转化为多孔碳催化剂。采用X射线衍射（XRD）分析晶体结构，比表面积测试（BET）表征孔结构，自由基淬灭实验（使用乙醇、对苯醌等淬灭剂）量化不同ROS贡献度，并考察了催化剂在湖水、自来水和海水中的适应性。

研究结果

材料表征

XRD显示催化剂中Sm₂O₃和Nd₂O₃晶体成功负载，BET表明PC-FeCoNiSmNd-700比表面积达654 m²/g，兼具微孔和介孔结构。扫描电镜（SEM）证实金属元素均匀掺杂于碳骨架中。

催化性能

在0.1 g/L催化剂和1 mM PMS条件下，PC-FeCoNiSmNd-700对TC（20 ppm）的30分钟降解率达95.7%，对罗丹明B（RhB）和亚甲蓝（MB）可在10-20分钟内完全降解。反应体系活化能为16.21 kJ/mol，循环使用4次后效率仍保持94.5%。

降解机制

自由基淬灭实验揭示TC降解中O₂^•?（39.1%）、SO₄^•?（27.1%）、¹O₂（22.4%）和•OH（15.6%）的协同作用。氯离子（Cl^-）促进作用使湖水、海水中的TC降解率从89.2%提升至97.0%，反应速率常数从0.2126 min^?1增至0.3466 min^?1。

结论与意义

该研究成功将废弃粉煤转化为高效多金属碳催化剂，通过自由基/非自由基并联路径激活PMS，解决了传统催化剂成本高、适应性差的问题。催化剂在不同水体中均表现优异稳定性，为抗生素污染治理提供了新材料设计思路，对推进煤炭资源高值化利用和水环境保护具有双重意义。