废弃臭氧催化剂原位再生为氮掺杂石墨碳-氧化铝结构诱导非自由基路径实现水体净化

面对工业废水处理中废弃臭氧催化剂回收难题，中国科学院研究人员创新性提出一步热解策略，将废弃催化剂转化为Cu-Mn/NGC-Al2O3复合材料。该材料通过诱导单线态氧(1O2)非自由基路径（贡献率84.09%），实现80.83%活性恢复，同时降低93.89%碳排放。研究为废弃催化剂资源化提供了环境友好解决方案。

　　

随着工业废水处理标准的日益严格，催化臭氧化技术作为高级氧化工艺(AOPs)的核心手段，在石化、焦化等行业得到广泛应用。然而，这项技术背后隐藏着一个鲜为人知的"环境悖论"——每年中国产生超百万吨废弃臭氧催化剂，这些含有重金属和有机沉积物的废弃物，传统处理方式不仅造成资源浪费，还可能引发二次污染。更棘手的是，新鲜催化剂在运行过程中会因生物代谢产物——胞外聚合物(EPS)的沉积而逐渐失活，五年内化学需氧量(COD)去除率下降34.67%，形成巨大的环境与经济负担。

针对这一挑战，中国科学院团队在《Water Research》发表创新研究，开发出将废弃催化剂"变废为宝"的一步热解技术。通过精确控制热解条件，成功实现EPS在原始Al₂O₃载体上的原位石墨化，构建出具有非典型氧化机制的Cu-Mn/NGC-Al₂O₃复合材料。令人振奋的是，这种"再生"催化剂不仅恢复了新鲜催化剂80.83%的活性，更意外发现了其氧化机制从传统的自由基路径转变为以单线态氧(¹O₂)为主导(贡献率84.09%)的非自由基路径，这对实际废水处理中抗干扰能力的提升具有突破性意义。

研究团队采用多学科交叉的研究方法：通过场发射扫描电镜(FE-SEM)和X射线光电子能谱(XPS)表征材料形貌与元素分布；利用电子顺磁共振(EPR)和化学探针法鉴定活性氧物种(ROS)；结合密度泛函理论(DFT)计算阐明非自由基路径机制；最后采用生命周期评估(LCA)量化环境效益。所有实验样品均来自中国最大石化废水处理厂的废弃催化剂。

【Construction and characterization of Cu-Mn/NGC-Al₂O₃】
研究发现废弃催化剂表面26-36μm的EPS沉积层含有大量C、N、O元素及微量Cu、Mn。通过优化热解温度(800℃)，成功将EPS转化为N掺杂石墨碳(NGC)，同时Cu、Mn形成20-50nm的纳米颗粒。XPS分析显示NGC中吡啶N含量达47.38%，为O₃活化提供丰富活性位点。

【性能评估与机制解析】
在实际焦化废水处理中，再生催化剂对苯酚的去除率达92.4%，且抗无机阴离子干扰能力显著优于新鲜催化剂。EPR检测发现特征峰强度与¹O₂捕获剂DPBF的消耗量呈正相关，证实非自由基路径主导。DFT计算揭示NGC的sp²碳骨架促进O₃吸附，而Cu-Mn纳米簇降低O₃分解能垒至0.87eV，协同诱导¹O₂生成。

【环境与经济价值】
LCA分析显示，与传统焚烧处理相比，该技术可实现93.89%的碳减排，每吨催化剂回收成本降低58.58%。按中国当前废弃催化剂产量计算，全面推广年减排CO₂当量可达86万吨。

这项研究突破了废弃催化剂回收的技术瓶颈，其创新性体现在三个方面：首次实现EPS的原位石墨化转化，开辟了"以废治废"新思路；发现NGC-Al₂O₃界面诱导的非自由基氧化机制，为AOPs催化剂设计提供新方向；建立的"性能恢复-机制解析-效益评估"研究范式，为环境功能材料的生命周期管理树立了典范。该技术目前已在中国部分石化园区开展中试，其大规模应用将推动水处理行业向低碳化转型迈出关键一步。