缺陷工程调控偏高岭土铝配位结构实现高性能摩擦催化降解污染物

本研究针对传统催化技术能耗高、效率低的瓶颈问题，通过单步煅烧法将天然高岭土转化为富含不饱和Al[IV]/Al[V]位点的无定形偏高岭土（MK）摩擦催化剂。实验证实MK-800的降解速率常数达0.1607 h?1，较原料提升64倍，DFT计算揭示不饱和铝配位可降低电子逃逸能。该工作为开发低成本、环境友好的摩擦催化体系提供了新思路。

　　

随着全球能源需求激增与化石能源限制，机械能转化技术成为研究热点。传统催化方法如光催化（电荷复合快）、热催化（需高温）和压电催化（能耗高）存在明显缺陷。摩擦催化（Tribocatalysis）通过接触起电（Contact electrification）效应将机械能转化为化学能，但其催化剂普遍存在成本高、工艺复杂的问题。天然高岭土（KA）储量丰富且环境友好，其煅烧产物偏高岭土（MK）中独特的五配位铝（Al[V]）结构可能成为突破点，但此前在摩擦催化领域尚未探索。

湖北三峡实验室的研究团队通过单步煅烧法调控KA的铝配位结构，系统研究了MK在摩擦催化降解污染物中的作用机制。研究采用X射线衍射（XRD）、固体核磁共振（NMR）和密度泛函理论（DFT）计算分析材料结构，通过电子顺磁共振（EPR）捕获活性物种，结合摩擦纳米发电机（TENG）评估电荷转移效率。

XRD、FTIR和SEM分析
煅烧温度超过500°C时KA晶体结构坍塌形成无定形MK，800°C样品（MK-800）比表面积达78.3 m²/g。红外光谱显示Al[VI]-OH（912 cm^?1）特征峰消失，证实脱羟基完成。

铝配位结构与催化性能
²⁷Al NMR显示MK-800中Al[V]含量达38.6%，其降解RhB的速率常数（0.1607 h^?1）是KA的64倍。DFT计算表明Al[V]位点使电子逃逸能降低1.8 eV，促进电荷分离。

反应机理研究
EPR检测到^·OH、^·O₂^?和正电荷（q⁺）为主要活性物种。MK-800在TENG中产生20 V电压，是KA的5倍，证实不饱和铝配位增强电荷转移。

结论与意义
该研究首次将天然矿物KA应用于摩擦催化，通过缺陷工程调控Al[IV]/Al[V]比例，阐明了不饱和铝配位降低电子逃逸能的机制。MK-800对四环素（TC）、刚果红（CR）等多种污染物均表现出高效降解能力，为开发低成本环境修复技术提供了新范式。论文发表于《Applied Clay Science》，为摩擦催化剂的结构设计奠定了理论基础。