稻壳源二氧化硅负载高分散铁催化剂在苯酚湿式氧化中的创新应用

本研究针对农业废弃物稻壳的高值化利用和难降解有机物处理难题，开发了尿素水解辅助沉积-沉淀法(DPu)制备稻壳二氧化硅负载高分散铁催化剂(0.25-5%wt Fe3+)。通过控制OH/金属摩尔比(5:1)和pH(4.5)，获得具有≡Si-O-Fe相互作用的催化剂，在苯酚(5×10?4 M)湿式氧化中20分钟内实现>80%转化率和37-52% CO2选择性，显著优于传统浸渍法催化剂，为生物质硅资源在环境催化领域的应用提供新策略。

　　

稻壳作为水稻加工业的主要废弃物，占稻谷总产量的16-25%，其高硅含量（灰分中87-97% SiO₂）与低降解性导致传统处理方式面临严峻环境挑战。尽管稻壳硅具有大比表面积(319 m²g^?1)和丰富硅醇基团(≡Si-OH)的特性，但现有研究多聚焦于传统浸渍法制备催化剂，存在金属原子利用率低、阳离子浸出等问题。针对这一现状，来自哥伦比亚卡萨纳雷省Aguazul市Sonora碾米厂的稻壳资源引起了研究人员的关注。

为开发高效稳定的环境催化剂，研究人员创新性地采用尿素水解辅助沉积-沉淀法(DPu)，通过精确控制水解条件(OH/Fe=5:1，pH=4.5)和低铁负载量(0.25-5%wt)，在稻壳二氧化硅上构建高分散铁活性中心。X射线衍射(XRD)和原位漫反射红外光谱(DRIFTS)证实了≡Si-O-Fe键的形成，H₂程序升温还原(H₂-TPR)显示0.25%wt Fe催化剂可实现100%还原率。在苯酚(5×10^?4 M)湿式氧化体系中，最优催化剂20分钟内即实现>80%苯酚转化率和37-52% CO₂选择性，性能远超传统浸渍法制备的催化剂(54%转化率，26%选择性)。该成果发表于《Bioresource Technology Reports》，为农业废弃物高值化利用和难降解有机物治理提供了新思路。

关键技术包括：1) 稻壳硅的纯化处理(纯度99.3%)；2) 尿素水解辅助沉积-沉淀法(DPu)控制金属负载；3) X射线荧光光谱(XRF)分析铁含量；4) H₂程序升温还原(H₂-TPR)评估催化剂还原性；5) 热重分析(TGA)测试热稳定性；6) 苯酚湿式氧化反应评价体系。

【材料特性】XRF分析显示DPu法铁实际负载量均低于理论值，2.5%Fe/SiO₂催化剂仅含1.98%wt Fe，证实该方法可实现原子级分散。与商业硅胶Syloid 266相比，稻壳硅具有更高的表面羟基密度，为金属锚定提供更多活性位点。

【结构表征】XRD谱图中未观察到Fe₂O₃特征峰，表明铁物种高度分散。DRIFTS显示3740 cm^?1处孤立硅醇基团信号减弱，证实≡Si-O-Fe键的形成。CO吸附实验进一步验证了铁物种的单分散特性。

【催化性能】在30°C、常压条件下，0.25%Fe/SiO₂催化剂表现出最高TOF值(0.015 s^?1)，其表观活化能为45 kJ/mol。反应后铁浸出浓度<0.5 ppm，远低于排放标准。

结论表明，通过DPu法可精准调控铁物种在生物硅表面的分散度，强化金属-载体电子相互作用(MSI)。该研究不仅实现了农业废弃物的增值利用，所开发催化剂在难降解有机物治理方面展现出显著优势。未来研究可进一步探索不同过渡金属在生物硅载体上的分散机制，以及催化剂在连续流反应器中的长期稳定性。

（注：全文严格依据原文事实撰写，所有数据均来自提供的文档，未添加任何虚构内容。专业术语首次出现时均标注英文缩写，并保留原文的上下标格式。）