生物炭极性组分调控CeO2 氧空位形成及电子转移促进四环素降解的机制研究

本研究针对传统氧空位(OV)制备方法依赖高能耗和外部调控的瓶颈，创新性地通过调控生物炭(PBC)的极性组分（碳缺陷和含氧官能团OCGs），构建了CeO2 /PBC复合材料。研究发现极性组分通过电子富集效应弱化Ce-O键、提升电子转移效率，使CeO2 /PBC-400的降解动力学常数(k)达0.0555，较纯CeO2 提升2.24倍，为设计高效碳载金属氧化物催化剂提供了新策略。

　　

抗生素污染治理是环境领域的重大挑战，而四环素(TC)作为典型污染物，其难降解特性尤为突出。传统催化材料虽能通过氧空位(OV)增强活性，但现有制备方法严重依赖高能物理/化学手段，存在能耗高、稳定性差等缺陷。更关键的是，这些方法往往忽视材料本征特性对OV的调控作用。渤海大学研究团队独辟蹊径，从生物炭(PBC)的极性组分入手，揭示了碳缺陷与含氧官能团(OCGs)协同调控CeO₂
氧空位形成的新机制，相关成果发表于《Journal of Environmental Management》。

研究采用多尺度技术联用策略：通过梯度温度热解法制备不同极性组分的柚子皮生物炭(PBC-300/400/500)，结合水热法负载CeO₂
；利用X射线光电子能谱(XPS)和电子顺磁共振(EPR)定量OV浓度；采用电化学阻抗谱(EIS)评估电子转移效率；结合密度泛函理论(DFT)计算阐明极性组分对Ce-O键强度的影响机制。

催化剂表征
SEM/TEM证实CeO₂
纳米颗粒均匀分散于PBC表面，CeO₂
/PBC-400呈现最优的介孔结构。拉曼光谱显示PBC-400具有最高ID/IG值(1.38)，表明其富含碳缺陷；XPS证实该样品OCGs含量是PBC-300的2.1倍，为极性调控提供结构基础。

电子结构调控机制
DFT计算揭示：碳缺陷使邻近Ce原子电子密度降低0.21 e/?³
，OCGs的羰基引起Ce 4f轨道偏移1.3 eV，协同作用使Ce-O键长从2.34 ?增至2.41 ?，键能降低18.7%。这种"电子剪刀"效应使氧原子更易脱离形成OV，EPR检测显示CeO₂
/PBC-400的OV浓度达7.2×10¹⁸
spins/g，是纯CeO₂
的3.2倍。

催化性能验证
在TC降解实验中，CeO₂
/PBC-400的k值(0.0555 min^-1
)远超对照组，其•OH产率提升2.7倍。EIS显示其电荷转移电阻降低67%，证实极性组分构建的电子高速公路显著提升催化效率。循环实验表明材料在pH 3-9范围内保持90%以上活性，凸显实际应用潜力。

该研究开创性地提出"碳基极性调控"新范式，突破传统OV制备的能源依赖瓶颈。通过阐明碳缺陷与OCGs的协同作用机制，为设计高效稳定的环境催化剂提供理论基石。以废弃柚子皮为原料的策略，更实现了"废料-材料-催化剂"的绿色转化，对发展可持续环境技术具有重要启示。研究团队特别指出，该原理可拓展至其他金属氧化物体系，为多相催化剂设计开辟新方向。