碳富集氮化碳负载超小Fe3O4纳米颗粒通过类光芬顿催化高效去除难降解有机污染物

针对难降解有机污染物治理难题，研究人员通过巴比妥酸辅助超分子自组装-热聚合策略，构建了碳富集氮化碳负载超小Fe3O4纳米颗粒（Fe3O4/CCNx）催化剂。该材料在0.72 wt% Fe负载量下，通过C掺杂诱导内建电场和Fe-N配位键协同作用，实现99.9% DEP污染物降解率，并在高盐皮革废水中展现68% COD去除率，为实际废水处理提供了高效稳定的解决方案。

　　

随着工业废水排放量激增，含有染料、邻苯二甲酸酯等难降解有机污染物的水体已成为威胁生态系统和人类健康的重大环境问题。传统生物处理法对这些"顽固分子"束手无策，而高级氧化技术中，基于过一硫酸盐（PMS）的类光芬顿催化因其能产生强氧化性活性氧物种（ROS）而备受关注。然而现有催化剂普遍存在可见光利用率低、电荷复合率高、铁活性位点暴露不足等瓶颈。

吉林大学的研究团队创新性地采用巴比妥酸（BA）辅助超分子自组装策略，通过精确调控前驱体中BA与三硝酸铁的比例，成功制备出碳富集氮化碳负载超小Fe₃O₄纳米颗粒（Fe₃O₄/CCN_x）复合材料。该材料在模拟太阳光照射下，90分钟内即可实现99.9%的DEP污染物降解率，对高盐皮革废水的COD和UV₂₅₄去除率均达68%左右，相关成果发表于《Journal of Hazardous Materials》。

研究团队主要运用了三种关键技术：超分子自组装-热聚合法构建碳掺杂g-C₃N₄载体、原位生长法调控Fe₃O₄纳米颗粒尺寸（约2 nm）、连续流反应器评估实际废水处理效能。通过同步辐射X射线吸收谱（XAS）等技术证实了Fe-N配位键的形成，结合电化学测试揭示了碳掺杂诱导的内建电场效应。

【材料制备与表征】
通过DCD-BA-Fe(NO₃)₃三元体系水热自组装形成有序超分子前驱体，经550℃热聚合获得Fe₃O₄/CCN_x。HAADF-STEM显示Fe₃O₄以2 nm超小颗粒均匀分散，XPS证实C掺杂引起N原子电子密度重分布。

【催化性能优化】
当Fe负载量为0.72 wt%时（0.72%Fe₃O₄/CCN₂），材料表现出最优类光芬顿活性，其DEP降解速率常数是纯CCN的7.3倍。EPR检测到•OH、SO₄^•?、¹O₂等多种ROS信号，证实了多元氧化路径。

【机理阐释】
C掺杂在CCN_x中形成内建电场，配合Fe-N界面配位键构成"电子高速公路"，使电荷分离效率提升3.8倍。M?ssbauer谱证明Fe²⁺/Fe³⁺循环速率加快，促使PMS持续活化产生ROS。

这项研究通过原子级调控策略，实现了g-C₃N₄基催化剂在环境治理领域的重大突破。所开发的连续流反应器在真实废水处理中展现出优异的稳定性，为解决高盐废水处理难题提供了工业化应用前景。Yuxin Yang和Yihang Guo团队的工作为设计高效环境催化剂提供了新范式，即通过精确控制掺杂位点与金属-载体相互作用来协同优化催化性能。