绿色合成AgNPs/ZSM-5催化剂在室温高效降解4-硝基酚中的应用与机制研究

本研究针对有毒难降解污染物4-硝基酚（4-NP）的环境治理难题，开发了以PEG-400为还原剂的AgNPs/ZSM-5催化剂。该催化剂在温和条件（25°C, 1 atm）下实现4分钟内完全降解500 ppm 4-NP（k=1.20 min-1），并保持16次循环稳定性（>85%转化率），为贵金属催化剂设计及水污染治理提供了新策略。

　　

随着化工行业快速发展，4-硝基酚（4-NP）等有毒芳香族硝基化合物在染料和药物生产中的广泛应用，带来了严峻的环境污染问题。这类物质不仅难以生物降解，还具有强致癌性，对生态系统和人类健康构成严重威胁。传统处理方法如活性炭吸附、光催化氧化等存在效率低、成本高等局限，而贵金属催化还原技术虽能高效转化4-NP为低毒性的4-氨基酚（4-AP），却面临活性组分易聚集、回收困难等挑战。特别是银纳米颗粒（AgNPs）虽成本较低，但裸露状态下极易团聚失活，如何实现其稳定分散成为关键科学问题。

针对这一难题，国内研究人员通过创新性采用绿色还原剂PEG-400，成功构建了AgNPs/ZSM-5复合催化体系。该研究发表在《Desalination and Water Treatment》期刊，系统解决了贵金属分散性与载体稳定性的协同优化问题。研究人员运用X射线衍射（XRD）、透射电镜（TEM）、X射线光电子能谱（XPS）等技术表征材料结构，通过氮气吸附-脱附测试分析孔隙特征，并采用紫外-可见光谱（UV-Vis）实时监测催化反应动力学。

催化剂组成与形貌表征
TEM显示PEG-400还原的AgNPs平均粒径仅3.82±0.5 nm，均匀分散于ZSM-5介孔中，而柠檬酸还原的CA-Ag/ZSM-5则出现20-50 nm团聚体。XRD证实两种催化剂均保持ZSM-5的MFI骨架结构，且无Ag₂O杂质峰。XPS分析揭示Ag 3d_5/2结合能位于368.2 eV，确认银以零价态存在，循环16次后部分氧化为Ag⁺。

催化还原性能
在25°C常压条件下，3 wt% AgNPs/ZSM-5表现出惊人活性：500 ppm 4-NP溶液4分钟内完全降解，表观速率常数达1.20 min^-1，远超对比催化剂CA-Ag/ZSM-5（0.03 min^-1）。循环实验显示16次使用后转化率仍保持85%以上，而对照组因AgNPs脱落导致单次循环即失效。

作用机制
研究提出"吸附-氢转移-脱附"的三步反应路径：ZSM-5大比表面积优先吸附4-NP和BH₄^-，AgNPs表面形成Ag-H活性中间体，通过连续加氢脱氧将硝基转化为氨基，最终释放产物4-AP并再生活性位点。PEG-400的长链结构不仅作为空间位阻防止AgNPs聚集，其醚氧基团与银的弱配位作用还增强了金属-载体相互作用。

这项研究通过绿色合成策略实现了贵金属催化剂的多重突破：一是创制了室温高效降解4-NP的AgNPs/ZSM-5体系，速率常数较文献报道的Ag/GO（0.49 min^-1）提高145%；二是揭示了PEG-400在稳定纳米颗粒和调控电子结构中的双重作用；三是为工业废水处理提供了兼具高性能（500 ppm级处理能力）、低成本（3%银负载）和优异循环稳定性（16次）的解决方案。该催化剂设计理念可拓展至其他贵金属催化体系，在环境修复和精细化工领域具有广阔应用前景。