《Journal of Environmental Sciences》：Synergistic effects on catalytic conversion of organic pollutants by transition metal-based high-entropy alloys
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高熵合金催化酸性橙II降解机理及动力学研究|气相雾化合成|多元素协同效应|纳米晶催化活性|有机废水处理
聂洪杰|苏晓萍|张霞荣|郑云华|苏琼|周永康|周丽娟|魏亚军|赵 Bowen
西北民族大学化学工程学院，中国兰州730030
摘要
高熵合金（HEAs）因其优异的化学活性，在环境催化中用于有机污染物修复方面受到了广泛关注。然而，HEAs在实际催化过程中的合成难度大、效率不高以及成本高昂等问题仍然难以解决。本文采用基于过渡金属的FeCoNiCuAl HEA作为高效催化剂，在类芬顿体系下降解酸橙II（AO II）染料，在优化条件下50分钟内可实现高达98.6%的降解效率。此外，通过一系列实验建立了一级动力学模型来定量描述催化降解过程。最重要的是，HEAs中多种活性元素的协同作用促进了活性位点的原位形成和活性自由基的生成，从而增强了催化能力。这项研究不仅发现了一种具有环境功能的潜在材料，还提出了一种有效的污染物处理策略。
引言
合成有机污染物具有潜在的毒性、结构稳定性和低生物降解性，导致了生态环境破坏和人类健康威胁（Zhang等人，2024；Liu等人，2024；Groeneveld等人，2023）。在众多控制处理方法中，高级氧化过程能够将有毒污染物转化为环境友好的小分子（如有机酸或二氧化碳），推动了绿色化学工业的发展（Zheng等人，2023；Korpe等人，2023；Sun等人，2026；Mo等人，2025）。然而，由于污染物的顽固性，催化转化反应过程极其复杂和困难。因此，开发具有高反应性和活性的新型催化剂对于提高高级氧化降解污染物的可行性和可靠性至关重要。
一般来说，大多数粉末催化剂由于其高比表面积和充足的活性位点而表现出比块状功能材料更强的催化活性。已经有很多研究工作（如碳材料（Lin等人，2024；Ahmadi等人，2023）、MOFs（Zhao等人，2023）、金属/氧化物复合材料（Zhao等人，2021a，2021b；Ruta等人，2022；Wang等人，2024）等）致力于提升对有机污染物的催化降解性能。遗憾的是，一些材料存在回收率低和化学合成复杂的问题，限制了它们的长期稳定应用（Asif等人，2023；Wang等人，2024）。为了提高催化性能和可持续性，可以考虑开发一种便于大规模合成多组分合金的策略，以克服上述废水降解难题。
最近，由多种元素组成的高熵合金（HEAs）作为一种创新的催化材料在多种化学反应中显示出潜力（Amiri等人，2021；Yang等人，2022；Maulana等人，2023；Pedersen等人，2020）。由于合金化能力的协同效应、高度的化学无序性和显著的晶格畸变，设计不同的HEAs可以在有机污染物废水处理领域实现优异的催化降解性能（Ren等人，2022；Wu等人，2019a；Bai等人，2023；Wang等人，2021）。例如，Wu等人（2019b）指出，通过机械球磨合成的AlCrFeMn HEA粉末对DB 6染料的降解表现出显著的催化活性。添加Mg元素可使降解速率提高2倍以上。类似地，Lv等人（2015）报道了通过机械合金化制备的新型A1CoCrTiZn HEA粉末对DB 6偶氮染料的催化行为，其优异的降解性能归因于晶格畸变、化学组成、残余应力和高比表面积等多种因素的综合作用。然而，机械球磨过程中这些HEA粉末的产率低、缺陷率高、成分容易团聚且产物复杂（Torabizadeh等人，2019；Mustafa和Kaya，2024；Verma等人，2024）。相比之下，气体雾化法是一种更高效且有利的方法，能够制备出元素分布均匀的HEA粉末，适用于大规模生产，并因形成均匀的纳米结构表面而提高催化活性。
基于上述问题，我们选择了基于过渡金属的FeCoNiCuAl HEA粉末，并通过气体雾化法制备，以评估其对AO II染料的催化降解能力。系统研究了不同操作条件对降解性能和耐久性的影响，并详细分析了催化剂相结构、电子价态、表面微观形态以及溶液中原位形成的活性物种的变化，揭示了催化反应机制。这项工作提供了一种非贵金属基HEA作为功能性材料，用于实现有机废水的可持续降解。
材料
通过气体雾化法制备的商业FeCoNiCuAl HEA粉末直接从北京益金新材料科技有限公司购买。合成工艺的主要参数为：温度1500°C、压力3.5 MPa、流速7.0 kg/min和喷嘴孔径5.0 mm。盐酸（HCl）、氢氧化钠（NaOH）、过氧化氢（H?O?）和异丙醇（IPA）均购自国药化学试剂有限公司。酸橙II（AO II）染料
HEA粉末的表征
FeCoNiCuAl HEAs的XRD图谱显示存在两种固溶相：体心立方（BCC）相和面心立方（FCC）相以及其他B2相。B2相是一种有序的立方晶体结构，具有CsCl型排列。BCC相和B2相的衍射峰重合，相应的晶面分别为（110）、（200）、（211）和（220）。对于FCC相，约44°处的弱峰对应于
结论
在本研究中，FeCoNiCuAl HEA粉末在有机污染物降解反应中表现出优异的催化行为和稳定性，第五次反应时的去除效率可达96.2%。这种优异的性能主要归因于Cu、Fe、Co原子之间的协同作用以及纳米级晶体的作用，这些因素促进了氧化自由基的活化及纳米级原电池的形成。此外，增强的比表面积也起到了重要作用
未引用的参考文献
(Liu和Wang，2024；Amiri和Shahbazian，2021；Wang等人，2024；Yang等人，2025)
CRediT作者贡献声明
聂洪杰：撰写——初稿、可视化、验证、资源准备、方法论、研究设计、资金获取、数据分析、概念构建。苏晓萍：撰写——初稿、可视化、方法论。张霞荣：撰写——初稿、验证、软件使用。郑云华：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、可视化、方法论、数据管理、概念构建。苏琼：撰写——审稿与编辑、软件使用、资源准备
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（编号：22165025和52301222）、内蒙古自治区自然科学基金（编号：20230N05015）、甘肃省教育厅工业支持计划项目（编号：2024CYZC-04）、甘肃省自然科学基金重点项目（编号：25JRRA037）、西北民族大学化学创新团队建设资金（编号：1001660139和1001660141）以及其他资助的支持
