闪速焦耳加热技术制备氮掺杂碳材料及其在过一硫酸盐活化降解苯甲羟肟酸中的机制研究

本研究针对传统热解法合成氮掺杂碳材料(NCM)存在能耗高、加热速率慢等问题，创新性采用闪速焦耳加热(FJH)技术快速制备NCM，系统探究其在过一硫酸盐(PMS)活化降解苯甲羟肟酸(BHA)过程中的催化性能与机制。研究发现高温合成的FJH-NCM-H具有优异催化活性(30分钟完全降解BHA，kobs=0.3300 min?1)，揭示了表面持久性自由基(PFRs)在降解过程中的主导作用，为生物质热解和废水处理提供了新技术路径。

　　

随着工业废水中有机污染物的日益复杂，过一硫酸盐(PMS)基高级氧化工艺(AOPs)因其强氧化能力成为研究热点。然而传统金属基催化剂存在二次污染风险，而氮掺杂碳材料(NCM)虽具备绿色环保优势，但其传统热解法制备过程能耗高、效率低。更关键的是，NCM中持久性自由基(PFRs)在PMS活化过程中的作用机制长期存在认知空白，这严重制约了该技术的实际应用。

针对这些挑战，研究人员创新性地采用闪速焦耳加热(FJH)技术，以竹材生物质为前驱体，在极短时间内(秒级)完成NCM的快速合成。与传统管式炉相比，FJH技术能将能耗降低34倍，同时实现1800?K的超高温处理。通过调控合成温度获得三种材料(FJH-NCM-L/M/H)，其中高温处理的FJH-NCM-H展现出卓越的PMS活化性能：在宽pH范围(3.50–11.00)和复杂水质条件下，30分钟内即可完全降解矿物加工剂苯甲羟肟酸(BHA)，速率常数k_obs高达0.3300 min^?1，且受天然有机物和无机盐影响较小。

研究采用电子顺磁共振(EPR)、淬灭实验、电化学测试等多维手段解析反应机制。与传统认知不同，实验证实表面PFRs是BHA降解的主要贡献者，而非传统的自由基(SO₄^•?/•OH)或¹O₂路径。进一步研究发现，PFRs的形成源于PMS与材料表面有机前驱体的直接反应，且材料石墨化程度显著影响催化性能。这种"表面束缚型"反应机制有效避免了自由基在溶液中的快速淬灭，提升了氧化效率。

主要技术方法包括：1) 采用FJH技术实现NCM的梯度温度合成；2) 通过SEM、Raman等技术表征材料形貌与结构；3) 建立PMS活化体系评估催化性能；4) 结合EPR与电化学分析阐明反应机理。

【研究结果】

1. 催化剂表征：SEM显示FJH-NCM-H具有粗糙多孔结构，XPS证实其含氮量最高(2.84%)，且石墨化程度与温度呈正相关。
2. 催化性能：FJH-NCM-H/PMS体系在30分钟内实现BHA完全降解，速率常数较传统热解法材料提升3.2倍。
3. 反应机制：EPR检测到显著PFRs信号，淬灭实验证实其贡献率达78.5%，电子转移路径仅占12.3%。
4. 结构-活性关系：材料石墨化网络促进电子离域，增强PFRs稳定性，使催化效率提升4.7倍。

这项研究不仅开创了生物质热解的新技术路径，更深化了对NCM/PMS体系中PFRs作用机制的理解。FJH技术的高效节能特性为碳材料规模化制备提供了可能，而PFRs主导的反应机制为设计新型非均相催化剂提供了理论依据。该成果发表于《Bioresource Technology》，对推动水处理技术的发展具有重要实践价值。