氮掺杂铁基MOF衍生物的结构调控与催化臭氧氧化性能提升机制研究

本研究针对传统金属有机框架(MOFs)在催化臭氧氧化中稳定性差、活性低的问题，通过氮掺杂策略制备Fe@NC催化剂，实现了六嗪酮降解率86.37%（kobs =0.0992 min-1 ），其活性为纯臭氧系统的16.89倍。研究揭示了Fe-N活性位点促进电子转移的机制，证实?OH、?O2 ? 和1 O2 为关键活性氧物种，为MOF衍生物设计提供了新思路。

　　

随着三嗪类除草剂六嗪酮在环境中的广泛残留，其高水溶性（33.0 g/L，25°C）导致的水体污染问题日益严峻。传统处理方法如吸附法无法彻底降解污染物，生物法则受环境条件限制。催化臭氧氧化技术虽能产生强氧化性活性氧物种(ROS)，但现有碳基催化剂稳定性差，金属基催化剂又面临活性位点利用率低、金属溶出等问题。金属有机框架(MOF)虽具有高比表面积优势，但其机械强度差、配位键易断裂的特性严重制约实际应用。

山东大学的研究团队创新性地采用MOF衍生物策略，选择MIL-53(Fe)和NH₂
-MIL-53(Fe)为前驱体，通过高温煅烧制备Fe@C和氮掺杂Fe@NC催化剂。研究发现Fe@NC/O₃
体系在20分钟内对六嗪酮的去除率高达86.37%，表观速率常数k_obs
(0.0992 min^-1
)是单独臭氧系统的16.89倍。这项工作发表于《Journal of Environmental Chemical Engineering》，为解决MOFs材料在催化臭氧氧化中的稳定性与活性矛盾提供了突破性方案。

研究团队运用X射线衍射(XRD)、高分辨透射电镜(HRTEM)表征材料结构，结合电子顺磁共振(EPR)和密度泛函理论(DFT)计算阐明机制。通过探针实验鉴定活性氧物种，并采用高效液相色谱-质谱联用(HPLC-MSⁿ
)分析降解路径。

【Characterizations of Fe-MOFs and derivatives】部分显示，氮掺杂使Fe@NC形成Fe-N活性位点，X射线光电子能谱(XPS)证实N 1s谱图中398.7 eV处的峰对应Fe-N配位键。比表面积分析表明Fe@NC保留前驱体多孔结构，为反应提供充足活性位点。

【Conclusion】部分指出，Fe@NC表面Lewis酸位点是臭氧分解的主要活性中心，形成的Fe-N化合物显著提升电子转移能力。降解路径分析显示六嗪酮通过脱甲基、开环等反应转化为低毒中间体。催化剂在pH 3-9范围内保持稳定，5次循环后活性仅下降6.3%，展现出优异的环境适应性和可重复使用性。

该研究通过精准调控MOF衍生物的电子结构，首次阐明氮掺杂对Fe-N活性位点形成的促进作用，为设计高效稳定的臭氧催化剂提供了理论依据。Fe@NC在保留MOFs结构优势的同时克服了其稳定性缺陷，在难降解有机污染物治理领域具有重要应用前景。研究不仅为六嗪酮污染控制提供技术支撑，更开创了MOF衍生物在高级氧化技术中的新应用模式。