天然木材衍生的自支撑链甲催化剂Co@CW-800通过表面重构效应实现高效水净化

针对粉末状链甲催化剂易团聚、扩散动力学缓慢及难回收等问题，研究人员开发了基于天然木材的 monolithic（整体式）自支撑链甲催化剂Co@CW-800。该催化剂通过碳层封装Co纳米颗粒，激活过一硫酸盐（PMS）以自由基途径高效降解四环素（TC），30分钟去除率达94.5%，且循环稳定性优异。研究为水污染控制提供了高效、稳定、可回收的催化系统，推动绿色高级氧化技术（AOPs）发展。

　　

抗生素四环素（TC）因其广泛使用和持久性成为水环境中的典型污染物，传统处理技术如生物降解和吸附存在效率低、二次污染等问题。高级氧化工艺（AOPs）中，过一硫酸盐（PMS）能生成硫酸根自由基（SO₄
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）、羟基自由基（•OH）等高活性物种，但传统过渡金属催化剂易发生离子溶出且难以回收。链甲催化剂（Chainmail catalyst）通过碳层封装金属活性位点，兼具高催化活性和稳定性，但其合成常依赖昂贵前驱体。

为解决这些问题，研究人员以天然松木为原料，通过浸渍和高温煅烧制备了整体式链甲催化剂Co@CW-800。该催化剂将钴纳米颗粒嵌入碳化木材（CW）的层级孔隙中，碳层保护金属活性位点并促进电子转移。实验表明，Co@CW-800通过自由基主导途径激活PMS，30分钟内降解94.5%的TC，且对多种阴离子和腐殖酸具有适应性。循环实验显示，5次使用后TC去除率仍超90%，归因于表面重构效应。毒性评估证实降解后产物毒性降低。

关键技术方法

1. 催化剂合成：松木经NaOH脱木质素后浸渍Co(NO₃
   )₂
   ，高温碳化形成Co@CW；
2. 表征技术：X射线衍射（XRD）、透射电镜（TEM）证实Co纳米颗粒被碳层封装；
3. 降解实验：监测TC在PMS激活下的降解动力学及中间产物；
4. 毒性分析：评估降解产物的生态毒性变化。

研究结果

1. 催化剂表征：Co@CW-800保留了木材的直通孔道结构，Co纳米颗粒均匀分布于碳基质中，碳层厚度约2-5 nm（图1a）；
2. 催化性能：Co@CW-800/PMS系统在pH 3-11范围内高效降解TC，主要活性物种为SO₄
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   和•OH；
3. 降解路径：鉴定出12种中间产物，推测TC通过羟基化、脱甲基和开环反应逐步矿化；
4. 稳定性机制：表面重构形成Co-O-C界面，抑制金属溶出并维持催化活性。

结论与意义
该研究开创性地利用天然木材制备了自支撑链甲催化剂，解决了粉末催化剂易团聚和回收难的瓶颈问题。Co@CW-800的高效性、稳定性和低毒性降解路径，为实际水体修复提供了新策略。此外，生物质原料的低成本优势推动了链甲催化剂的规模化应用，对发展可持续水处理技术具有重要意义。论文发表于《Environmental Research》，通讯作者为Ting Sun和Guangyin Fan。