双金属与空位协同纳米限域催化膜实现可见光驱动微污染物高效降解

针对难降解有机微污染物传统处理方法效率低下的问题，研究人员开发了基于钴-铜氧化物纳米片（Co-Cu ONS）的可见光驱动过一硫酸盐（PMS）活化催化膜系统。通过纳米限域策略和双金属协同效应，该膜在15分钟内实现四环素盐酸盐（TCH）98.7%的去除率（k=0.2732 min?1），兼具高效催化与分离功能，为水处理提供创新解决方案。

　　

随着城市化与工业化进程加速，难降解有机微污染物（如药物残留和染料）持续排入水体，其持久性和生物累积性对生态系统与人类健康构成严重威胁。这类污染物分子尺寸小（0.5-2 nm）、结构复杂，传统水处理技术难以有效去除。尽管基于过一硫酸盐（PMS）的高级氧化工艺（AOPs）能通过产生硫酸根自由基（SO₄^•?）和单线态氧（¹O₂）实现高效降解，但粉末催化剂易团聚、难回收的问题制约其实际应用。

针对这一挑战，中国科学院生态环境研究中心的研究人员设计了一种纳米限域催化膜系统。该研究通过钠硼氢（NaBH₄）还原法合成钴-铜氧化物纳米片（Co-Cu ONS），并采用非溶剂致相分离与真空过滤联用技术将其嵌入聚偏氟乙烯（PVDF）膜中，构建出兼具催化与分离功能的Co-Cu ONS@PVDF膜。实验表明，该膜在可见光下15分钟内对四环素盐酸盐（TCH）的去除率达98.7%，速率常数高达0.2732 min^?1，且对多种污染物展现广谱降解能力。相关成果发表于《Journal of Membrane Science》。

关键技术包括：（1）CTAB调控的二维纳米片合成；（2）混合基质膜制备工艺；（3）密度泛函理论（DFT）计算验证PMS吸附路径；（4）电子顺磁共振（EPR）检测自由基物种。

主要研究结果

1. 催化剂表征：Co-Cu ONS的二维结构通过高浓度CTAB（5.5×10^?2 M）和NaBH₄还原协同作用形成，X射线光电子能谱（XPS）证实其富含氧空位（OVs）。
2. 催化性能：双金属位点与OVs协同促进PMS活化，可见光激发下电子转移加速Co³⁺/Co²⁺循环，主导非自由基途径（¹O₂贡献率76.3%）。
3. 膜分离效能：PVDF基膜实现污染物截留与催化位点富集，通量达218 L·m^?2·h^?1·bar^?1。

结论与意义
该研究创新性地将纳米限域效应与光-Fenton-like催化结合，通过Co-Cu双金属协同和OVs调控，突破传统催化剂效率瓶颈。DFT计算揭示PMS在Cu位点的自发吸附（吸附能-2.31 eV）是高效活化的关键。所开发的催化膜系统兼具低能耗（可见光驱动）、高稳定性（10次循环效率>90%）和模块化优势，为复杂水质净化提供新范式。通讯作者Jianquan Luo团队指出，该技术可扩展至工业废水处理领域，推动AOPs从实验室走向工程应用。