综述：杂原子掺杂碳基材料的近期进展：合成、性质、环境应用及在高级氧化过程中的催化机制

这篇综述系统阐述了杂原子掺杂碳基材料（H-CBM）作为高效催化剂的合成策略、性能调控机制及其在高级氧化过程（AOPs）中的应用。通过分析N/S/P/B等杂原子对碳材料电子结构（如sp2杂化破坏）和活性位点（如·OH/SO4·?生成）的调控作用，揭示了其在活化过硫酸盐（PS）、H2O2和O3中的自由基与非自由基（1O2）协同路径，为绿色水处理技术开发提供理论支撑。

　　

杂原子掺杂碳基材料的制备

杂原子掺杂碳基材料（H-CBM）的制备主要分为原位掺杂和后掺杂两种方法。原位掺杂通过在碳前驱体合成阶段引入杂原子（如含N/S的有机物热解），可实现原子级均匀分布；后掺杂则通过气相或液相处理将杂原子（如NH₃退火）锚定到预成型碳骨架上。研究表明，掺杂温度（500-900°C）和杂原子源类型显著影响材料缺陷密度和石墨化程度，进而调控催化活性。

杂原子类型与性能调控

氮（N）掺杂是最常见的策略，可形成吡啶-N、石墨-N等构型，增强电子传导性；硫（S）掺杂通过形成C-S-C键诱导电荷重分布；而硼（B）和磷（P）掺杂则分别作为电子受体和供体，协同优化氧化还原电位。例如，N,S共掺杂碳材料活化PMS时，石墨-N主导电子转移路径，而硫醇基团促进SO₄·^?生成。

高级氧化过程中的催化机制

在PS活化体系中，H-CBM通过表面介导的自由基（·OH、SO₄·^?）和非自由基（¹O₂）路径降解污染物。密度泛函理论（DFT）计算显示，吡啶-N位点可降低PMS解离能垒。对于H₂O₂活化，杂原子修饰的碳材料通过类芬顿反应生成·OH，且N掺杂能抑制H₂O₂无效分解。臭氧（O₃）活化则依赖于杂原子诱导的表面电子缺陷，促进O₃转化为·O₂^?。

关键影响因素

溶液pH决定催化剂表面电荷和氧化物种稳定性：酸性条件利于SO₄·^?主导路径，而碱性环境促进¹O₂生成。无机阴离子（如Cl^?、HCO₃^?）可能淬灭活性氧物种，但适量Cl^?可通过形成次氯酸扩展pH适用范围。

挑战与展望

当前H-CBM研究面临活性位点识别不精准、实际水体复杂组分干扰等问题。未来需结合原位表征技术和机器学习（ML），建立杂原子构型-活性定量关系，并开发膜催化等工程化应用模式，推动水处理技术从实验室向工业化跨越。