CoO负载g-C3N4/Ti3C2三元催化剂在过一硫酸盐活化/光催化体系中高效降解对硝基苯酚的研究

为解决工业废水中有毒难降解污染物对硝基苯酚(PNP)的治理难题，研究人员设计了一种新型CoO负载g-C3N4/Ti3C2三元复合催化剂(CoCT)，通过过一硫酸盐(PMS)活化与光催化协同作用，15分钟内实现99%的PNP降解。该研究揭示了SO4·-主导的自由基与1O2辅助的非自由基协同机制，为环境修复提供了高效稳定的催化材料。

　　

对硝基苯酚(PNP)作为工业废水中的典型污染物，因其高毒性和难降解性被美国环保署列为优先控制污染物。传统处理方法面临效率低、能耗高等瓶颈，而基于过一硫酸盐(PMS)的高级氧化技术虽能产生强氧化性自由基(如SO₄^·-)，但单一催化体系存在电子-空穴复合率高、金属活性位点易失活等问题。如何构建兼具高效PMS活化与光催化协同作用的非均相催化剂，成为环境催化领域的研究热点。

针对这一挑战，中国某高校研究团队在《Journal of Environmental Chemical Engineering》发表研究，通过浸渍-高温退火法成功制备了g-C₃N₄/Ti₃C₂/CoO(CoCT)三元复合材料。该工作创新性地将导电性优异的Ti₃C₂(MXene)与富含Co(II)活性位点的CoO纳米颗粒协同修饰g-C₃N₄，实现了PMS活化与光催化的双重增效，为复杂废水处理提供了新思路。

研究采用X射线衍射(XRD)、光电性能测试等技术表征材料结构，通过降解实验优化反应参数，并结合自由基捕获实验阐明了作用机制。结果显示：20% CoO负载的CoCT在PMS/可见光体系中，15分钟即可降解99%的PNP，速率常数较二元体系提升5倍。表征证实CoO通过Co-O-C键原位锚定在g-C₃N₄表面，Ti₃C₂的引入使材料光响应范围拓宽至650nm，电荷迁移效率提升3.8倍。

材料表征
XRD显示CoO(111)晶面特征峰的出现证实了三元复合结构的成功构建。电镜观测到10-20nm的CoO颗粒均匀分散于g-C₃N₄/Ti₃C₂基底，界面接触紧密。XPS分析发现Co²⁺/Co³⁺价态循环是实现PMS持续活化的关键。

催化性能
在最优条件下(0.2g/L催化剂、1mM PMS、pH=7)，20%CoCT表现出最高活性。共存阴离子实验显示Cl^-和HCO₃^-会竞争活性位点，但体系仍保持80%以上效率。循环5次后降解率仅下降7.2%，证实材料稳定性。

作用机制
自由基捕获实验表明SO₄^·-贡献率达68.5%，¹O₂占21.3%。EPR检测直接证实了这两种活性物种的存在。理论计算显示CoO的d带中心上移促进了PMS中O-O键断裂，而Ti₃C₂的导电桥作用加速了界面电子转移。

该研究不仅开发出具有实际应用潜力的CoCT催化剂，更创新性地提出"金属氧化物-碳氮材料-MXene"三元协同设计策略。通过精准调控CoO负载量(10-30%)实现了活性位点密度与稳定性的平衡，为同类催化体系提供了普适性优化方案。研究揭示的PMS活化/光催化协同机制，为复杂环境污染物治理提供了理论基础和技术支撑。