碳掺杂与Co3O4纳米颗粒修饰的氮化碳材料通过非自由基途径高效活化PMS降解有机污染物

本研究针对水产养殖废水中有机污染物（如OTC）难降解问题，通过溶剂蒸发-煅烧法制备碳掺杂及Co3O4纳米颗粒修饰的氮化碳材料（Co3O4-CNx），实现PMS高效活化。结果表明，该体系15分钟内降解OTC效率达99.5%，且具备宽pH适应性（4.5-11.0）及抗无机阴离子干扰能力，为非自由基主导的废水处理技术提供新思路。

　　

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论文解读

水产养殖业的快速发展带来了抗生素类污染物（如土霉素OTC）的排放危机，这些物质在自然水体中难以自然降解，通过生物富集作用威胁生态系统和人类健康。传统的高级氧化技术依赖羟基自由基（·OH）和硫酸根自由基（SO₄^·-），但存在氧化剂利用率低、副反应多等缺陷。过一硫酸盐（PMS）活化技术因其高效、低能耗成为研究热点，但如何通过非自由基途径（如单线态氧¹O₂、高价金属-氧物种）提升反应选择性和环境适应性仍是挑战。

为解决上述问题，国内研究人员通过溶剂蒸发结合煅烧法，以乙酰丙酮钴为钴源，制备了碳掺杂且负载Co₃O₄纳米颗粒的氮化碳复合材料（Co₃O₄-CN_x）。该材料通过表面电荷重排构建导电通道，显著提升电子转移效率，在PMS活化降解OTC中展现出99.5%的去除率（15分钟），速率常数达0.466 min^?1。研究进一步证实该体系在宽pH范围（4.5-11.0）及复杂水体（如克达湖、巴河实际水样）中均保持高效稳定，相关成果发表于《Journal of Colloid and Interface Science》。

关键技术方法

1. 材料合成：以三聚氰胺为前驱体煅烧制备氮化碳（CN），再与乙酰丙酮钴二次煅烧获得Co₃O₄-CN_x；
2. 表征技术：X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析材料结构；
3. 性能评估：通过降解实验（OTC为模型污染物）及动力学分析验证催化效率；
4. 机理探究：电子顺磁共振（EPR）和淬灭实验鉴定非自由基活性物种（¹O₂、Co(IV)=O）。

研究结果

1. 催化剂表征：XRD显示Co₃O₄纳米颗粒成功负载，碳掺杂导致氮化碳特征峰减弱；FT-IR证实材料保留CN骨架结构。
2. 降解性能：Co₃O₄-CN₂/PMS体系对OTC的降解速率远超纯CN（0.466 vs. 0.021 min^?1），实际水样中速率常数提升至1.074 min^?1。
3. 抗干扰能力：共存阴离子（Cl^?、HCO₃^?等）对降解效率影响微弱，pH适应性广。
4. 反应机理：EPR证实¹O₂为主导活性物种，同时存在Co(IV)=O介导的电子转移路径。

结论与意义
该研究通过碳掺杂与Co₃O₄纳米颗粒协同修饰，解决了氮化碳导电性差的问题，构建了高效PMS活化体系。其非自由基主导的降解机制避免了传统自由基路径的局限性，在复杂环境水体中展现出卓越的实用潜力，为有机废水处理提供了兼具高效性与环境友好性的新材料设计策略。