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针对高级氧化工艺（AOPs）中催化剂存在的催化效率等难题，研究人员以醋酸纤维素为前驱体，通过一步热解制备氮磷共掺杂生物炭（CANP800-1）。其 / PMS 体系 30 分钟内可 100% 去除 AO7，为废水处理提供新方案。
水，是生命之源，却正面临着日益严峻的污染挑战。工业排放的污染物，尤其是难降解的偶氮染料，如 Acid Orange 7（AO7），因其毒性和致癌性，在环境中持久累积，对生态系统和人类健康构成极大威胁。传统的废水处理方法，如物理分离、化学反应和生物代谢等，往往存在运行成本高、易产生二次污染或难以彻底矿化污染物等局限。而高级氧化工艺（AOPs），如基于过氧单硫酸盐（PMS）的氧化技术，因其在降解有机污染物方面的显著效果，成为研究热点。然而，开发兼具环境友好性和经济效益的催化剂仍面临催化效率、选择特异性和合成工艺复杂等多重难题。在此背景下，为寻求更高效、绿色的废水处理解决方案，国内研究人员开展了相关研究，其成果发表在《Environmental Research》上。
研究人员以可再生的纤维素衍生物醋酸纤维素（CA）为绿色前驱体，以低烟无毒的聚磷酸铵（APP）为氮和磷源，通过简便的一步热解方法制备了氮磷共掺杂生物炭催化剂（CANP800-1）。该研究旨在解决现有催化剂存在的问题，提升对染料等污染物的去除效率。
研究中用到的主要关键技术方法包括：一步热解制备催化剂，利用扫描电子显微镜（SEM）观察催化剂的表面形貌，通过结构分析（如比表面积和孔结构测定等）表征催化剂特性，借助电化学研究和密度泛函理论（DFT）模拟探究反应机理，还进行了不同水基质适应性实验和降解机理验证实验等。
催化剂的制备与表征
将等质量的 APP 和 CA 混合作为前驱体，在管式炉中于氮气保护氛围下，以 5℃/min 的升温速率，分别在 700℃、800℃和 900℃三个梯度温度下热解 2 小时。热解产物在 200 毫升蒸馏水中连续搅拌 5 小时后过滤得到催化剂。通过 SEM 观察 CANP800-1 的表面形貌，发现其表面均匀致密，高温下碳结构分解形成大孔，氮磷共掺杂过程使其形成独特的褶皱层状结构。结构分析表明，氮磷共掺杂增强了催化剂的比表面积（1179 m2/g），引入了丰富的中孔，并产生了大量活性位点，如石墨氮、C-P 键等。
催化性能与水基质适应性
CANP800-1/PMS 体系在约 30 分钟内可实现 AO7 的 100% 去除，具有高表观速率常数（kobs = 0.125 min-1），优于未改性碳和其他单掺杂对比材料。该体系对各种水基质具有显著的适应性，包括不同 pH 值、共存离子、天然有机物和实际水条件。
反应机理探究
机理研究证实，单态氧（1O2）是反应过程的关键。电化学研究和 DFT 模拟验证了氮磷共掺杂促进了电子转移和 PMS 吸附。氮掺杂通过改变碳晶格的电荷分布，以非自由基氧化机制显著提高生物炭活化 PMS 的催化性能；磷掺杂因其可变价态、大原子半径和高给电子能力，改变了磷与碳原子之间的电负性和共价半径特性，影响碳骨架内的缺陷结构和局部电子排列，产生互补反应位点，提高了催化剂的活性。与单掺杂材料相比，共掺杂材料结合了不同杂原子的优异性能，克服了位点阻塞效应，产生协同效应，激活 PMS 选择性生成1O2，显著提高污染物去除效率。
研究结论表明，该研究成功构建了一种无金属催化体系，CANP800-1 通过氮磷共掺杂显著提升了比表面积、中孔结构和活性位点密度，在可持续水处理中表现出卓越的效果。其 / PMS 体系通过非自由基过程，主要涉及1O2转移和电子转移来活化 PMS，实现对有机染料等污染物的选择性降解。该研究为解决工业废水处理中的技术难题提供了独特的解决方案和理论依据，为开发环境友好、经济高效的新型催化剂开辟了新途径，在废水处理领域具有重要的应用前景和实际意义。
