源自废弃物的非金属生物炭催化剂含有内在杂原子，可加速Fe(III)/H?O?的活化过程：生物炭的电子转移机制

《Journal of Hazardous Materials》：Waste-derived non-metallic biochar catalyst with intrinsic heteroatoms for acceleration of Fe(III)/H 2O 2 activation: the electron transfer mechanism of biochar

本研究利用花生壳生物质废弃物制备含氮非金属生物炭NBC，通过煅烧优化催化性能。NBC与NaHCO3协同加速Fe(III)/H2O2系统，60分钟内完全降解迪ethyl phthalate（DEP）及>94%其他污染物，无二次金属污染。机制显示NBC通过电子供体及传递促进Fe(III)还原及Fenton反应，关键位点为石墨碳、C-O基团等，为绿色污染治理提供新策略。

　　近年来，传统生物质废弃物的再利用已成为化学工程、催化和处理等领域的热门研究方向。特别是在工业废水处理中，Fe(III)/Fe(II)的可持续循环对于Fenton反应的效率至关重要。Fenton反应作为一种经典的高级氧化工艺（AOPs），因其操作简单、高效且环境友好而受到广泛关注。该反应利用铁离子（Fe2?/Fe3?）与过氧化氢（H?O?）反应生成高活性的羟基自由基（·OH），进而对有机污染物进行高效降解。然而，Fe(III)向Fe(II)的缓慢还原过程是制约Fenton反应持续进行的关键因素之一。因此，开发能够有效促进Fe(III)还原的催化剂成为研究重点。

本研究以花生壳生物质废弃物为原料，通过简单的煅烧处理制备了一种非金属生物炭催化剂，命名为NBC。这种生物炭含有内在的氮原子，能够在Fe(III)/H?O?体系中显著加速反应，从而实现对二乙基邻苯二甲酸酯（DEP）的完全去除，并在60分钟内对其他有机污染物达到超过94%的去除效率。DEP作为一种常见的增塑剂和固定剂，广泛应用于塑料制品和化妆品中，对人体健康和生态环境可能造成潜在威胁。因此，有效去除DEP对于环境保护具有重要意义。

NBC催化剂的制备过程充分利用了花生壳这一可持续农业废弃物的特性。通过控制NaHCO?的添加比例，研究人员能够优化生物炭的孔隙结构和表面功能化程度，从而提升其吸附能力和催化性能。实验结果表明，随着NaHCO?添加量的增加，DEP的去除率也相应提高。其中，NBC-2系统表现出最佳的去除效果，达到70%的去除率。这一发现表明，NaHCO?在生物炭制备过程中起到了关键的结构调控作用，不仅扩大了材料的比表面积，还增强了其对污染物的吸附能力。

此外，NBC催化剂的催化活性与其煅烧温度密切相关。通过调节煅烧温度，研究人员能够改变生物炭的表面官能团分布和电子转移能力，从而优化其在Fenton反应中的表现。研究还发现，生物炭中的一些关键催化位点，如石墨碳、C-O主导的含氧官能团、石墨氮和吡啶氮，对电子转移过程具有重要影响。这些结构特征使得NBC能够在Fe(III)的还原过程中发挥重要作用，从而提高整个反应体系的效率。

相比传统的金属催化剂，NBC这类非金属催化剂的优势在于其能够避免二次金属污染的风险，为环境友好型催化提供了一种可行的替代方案。在当前的环境治理和绿色化学工程中，金属催化剂面临着诸如高成本、资源稀缺以及金属渗漏等环境可持续性挑战。而基于生物炭的非金属催化剂则具备成本低廉、制备简便、孔隙结构发达以及表面具有多种功能化结构等优点，因此成为绿色催化研究的热点。

生物炭作为一种可持续的固体废弃物热解产物，在污染控制和绿色化学工程中展现出多重功能。它不仅能够吸附污染物，还能通过提供催化活性位点和参与电子转移过程，增强污染物的降解效率。例如，有研究表明，通过石墨化处理的生物炭催化剂能够显著提升Fe(III)/H?O?体系中有机污染物的降解速度。其表面的C=O等官能团能够通过电子供体作用促进Fe(III)的还原，从而加速Fenton反应的进行。

此外，异原子掺杂策略在生物炭催化剂的改性中也得到了广泛应用。通过引入氮、硫、硼等异原子，研究人员能够有效调控碳材料的表面性质，形成正电荷区域，从而增强生物炭的共催化活性。例如，有研究团队制备了一种氮掺杂的还原氧化石墨烯（RGO）催化剂，并发现氮掺杂显著提升了RGO的吸附和降解能力。这主要归因于氮功能团的引入，使得材料表面具有更强的酸碱结合能力，并能够促进电子的转移过程。同时，氮掺杂还能提高石墨烯的还原程度，增强其与芳香族化合物之间的π-π相互作用，从而提升催化性能。

然而，异原子掺杂通常需要借助高能消耗的工艺和有害溶剂，这在一定程度上违背了绿色可持续发展的原则。因此，研究者开始关注生物炭原材料中固有的非金属元素及其结构特征，以期在不引入外源性异原子的情况下，实现催化剂性能的优化。本研究正是基于这一思路，利用花生壳生物质废弃物中的固有氮元素，通过简单的煅烧过程制备出NBC催化剂。这种策略不仅降低了催化剂的制备成本，还简化了工艺流程，为绿色催化技术的发展提供了新的思路。

在实际应用中，NBC催化剂表现出良好的重复使用性能。其结构稳定性使其能够在多次循环后仍保持较高的催化活性，这为工业废水处理中的催化剂回收利用提供了可能性。通过结合吸附作用和催化活性，NBC能够在较短时间内实现对多种有机污染物的高效去除，同时避免了传统金属催化剂可能带来的环境污染问题。这种双重功能使得NBC在环境治理领域具有广阔的应用前景。

从环境影响的角度来看，NBC催化剂的使用不仅有助于减少工业废水中的有害物质，还能促进农业废弃物的资源化利用，实现废物的再循环。这种“从源头到应用”的闭环处理模式符合当前绿色化学和可持续发展的理念。通过将农业废弃物转化为高附加值的催化剂材料，不仅可以降低环境污染，还能为循环经济提供技术支持。

综上所述，本研究通过利用花生壳生物质废弃物中的固有氮元素，制备出一种非金属生物炭催化剂NBC。该催化剂在Fe(III)/H?O?体系中表现出优异的催化性能，能够有效促进Fe(III)的还原，加速Fenton反应的进行，并实现对多种有机污染物的高效去除。研究还揭示了NaHCO?辅助吸附与煅烧温度对催化性能的协同作用机制，以及生物炭中关键结构特征在催化过程中的重要作用。这些发现为绿色降解环境污染物和高效催化再利用生物质废弃物提供了重要的理论支持和技术基础。