石墨氧化物层间限域钇钒铁矿催化异相电芬顿氧化降解有机污染物的机制研究

针对传统铁基催化剂在异相电芬顿(hetero-EF)过程中易聚集失活的问题，研究人员开发了一种K2FeO4/H2SO4一锅法合成石墨氧化物(GO)层间限域KFe(SO4)2纳米电催化剂的新策略。该催化剂通过GO的空间限域效应和表面负电性抑制颗粒团聚，在pH 3-9范围内对罗丹明B(RhB)降解率超97%，单位COD能耗仅0.08163 kWh/gCOD，其分散铁位点使H2O2活化效率提升2.62倍，为废水处理提供了高效稳定的催化材料。

　　

随着工业发展带来的水资源短缺和环境污染问题日益严峻，染料等难降解有机污染物对水生态系统的威胁备受关注。传统异相电芬顿(hetero-EF)技术虽能通过铁基催化剂活化H₂O₂产生羟基自由基(^•OH)降解污染物，但铁氧化物(Fe₃O₄)、羟基氧化铁(FeOOH)等催化剂存在活性位点聚集、pH适用范围窄等问题。特别是铁原子紧密排列的晶体结构会降低H₂O₂吸附选择性，导致催化效率下降。钇钒铁矿(KFe(SO₄)₂)虽具有硫氧桥隔离的分散铁位点优势，但纳米颗粒制备过程中仍面临团聚难题。

为解决这一系列问题，中国某研究机构团队在《Journal of Environmental Management》发表研究，创新性地采用K₂FeO₄同时作为氧化剂和铁源，通过一锅法将KFe(SO₄)₂限域在石墨氧化物(GO)层间，构建了KFe(SO₄)₂-in-GO三维异相电芬顿催化剂。该工作通过SEM/TEM/XPS等表征确认了催化剂形貌，结合DFT计算和EPR测试揭示了限域空间内的催化机制，证明其较传统Fe₃O₄-in-GO催化剂对RhB的降解速率提升2.62倍，并在pH 3-9宽范围内保持高效稳定性。

主要技术方法

1. 采用K₂FeO₄/H₂SO₄一锅法同步氧化石墨和合成KFe(SO₄)₂纳米颗粒
2. 通过SEM-EDS、HRTEM、XRD等表征材料形貌与晶体结构
3. 建立三维异相电芬顿反应体系评估催化性能
4. 结合淬灭实验和EPR检测活性氧物种
5. 采用DFT计算H₂O₂吸附能与电子转移过程

研究结果

1. KFe(SO₄)₂-in-GO表征：TEM显示GO呈现支架状多孔结构，KFe(SO₄)₂纳米颗粒(5-10 nm)均匀分散于层间。XPS证实Fe²⁺/Fe³⁺共存态，拉曼光谱中1348 cm^-1(D带)与1596 cm^-1(G带)强度比(ID/IG=1.24)表明GO成功制备。

2. 催化性能比较：KFe(SO₄)₂-in-GO对RhB的降解速率常数(0.096 min^-1)是Fe₃O₄-in-GO的2.62倍，单位COD能耗降低至0.08163 kWh/gCOD。在共存无机离子和腐殖酸条件下仍保持>90%去除率。

3. 机理分析：EPR检测到DMPO-^•OH特征信号，淬灭实验证实表面结合态^•OH是主要活性物种。DFT计算显示H₂O₂在KFe(SO₄)₂(010)晶面的吸附能(-1.43 eV)显著低于Fe₃O₄(111)面(-0.67 eV)，电子转移势垒降低促进^•OH生成。

结论与意义
该研究通过GO的空间限域效应成功抑制了KFe(SO₄)₂纳米颗粒团聚，其独特的分散铁位点结构显著提升了H₂O₂活化效率。理论计算与实验验证表明，GO层间的限域环境不仅增强了催化剂稳定性，还通过局部浓缩效应加速污染物与^•OH的接触概率。相比传统制备方法，K₂FeO₄/H₂SO₄一锅法兼具安全性和经济性，为设计高效稳定的环境催化材料提供了新思路，对工业废水处理技术的升级具有重要实践价值。