吡啶氮调控碳纳米管促进双电子转移聚合增强污染物去除机制研究

针对传统高级氧化工艺(AOPs)矿化路径碳足迹高、二次污染风险大的问题，浙江大学团队通过调控氮掺杂碳纳米管(N-CNTs)的吡啶氮含量，开发出高效双电子转移直接氧化聚合(DOTP)路径。最优催化剂实现苯酚(PhOH)近100%去除，速率常数(Kobs )达0.23 min?1 ，DOTP贡献率90%，过硫酸盐(PDS)利用率提升250%，为低碳水处理提供新范式。

　　

随着工业废水中有机污染物对生态系统和人类健康的威胁日益加剧，开发高效低碳的水处理技术成为全球性挑战。传统过硫酸盐(PDS)活化高级氧化工艺(AOPs)依赖羟基自由基(•OH)、硫酸根自由基(SO₄
•?)等高活性氧物种(ROS)，虽能有效降解污染物，但存在完全矿化碳足迹高、中间产物可能造成二次污染等问题。近年来，聚合驱动的污染物去除路径(DOTP)因其能将污染物转化为聚合物并从水相转移，展现出能耗低、氧化剂用量少的优势，但如何调控催化剂实现从ROS主导路径向DOTP路径转变仍是未解难题。

针对这一挑战，浙江大学环境与资源学院的研究团队在《Applied Catalysis B: Environment and Energy》发表研究，通过精准调控碳纳米管(CNTs)的吡啶氮掺杂量，成功开发出高效双电子转移DOTP路径。研究采用真空共热解法合成系列吡啶氮含量可调的氮掺杂碳纳米管(N_x
-CNTs)，结合X射线光电子能谱(XPS)、拉曼光谱等技术表征电子结构，通过动力学实验、电化学测试和理论计算阐明反应机制。

合成与表征CNT和N_x
-CNT
通过调控三聚氰胺与CNTs的质量比(0.5:1至5:1)，在750°C氩气氛围下热解制备不同吡啶氮含量的N-CNTs。XPS分析显示最优样品吡啶氮含量达65.1%，拉曼光谱证实掺杂引起晶格畸变，增强电子离域效应。

结论
研究证实吡啶氮作为催化中心诱导电子密度极化，通过降低双电子转移活化能促进DOTP路径，使苯酚去除率接近100%，K_obs
提升3.8倍。该工作为设计兼具高效、低碳特性的水处理催化剂提供新思路，同时解决能耗、碳足迹和二次污染三大环境挑战。

讨论与意义
该研究首次建立吡啶氮含量与DOTP选择性的定量关系，揭示电子结构调控可根本改变PDS活化路径。实际应用测试显示材料在流动体系中保持稳定，为工业废水处理提供可行方案。团队提出的"电子调制-聚合增强"策略，不仅适用于酚类污染物，还可拓展至其他共轭有机物体系，推动水处理技术向绿色化、精准化方向发展。