陕西科技大学JCIS:具有优异环境适应性的碳掺杂及Co₃O₄纳米颗粒改性碳氮化物材料通过非自由基途径激活PMS...

2025-07-17 15:28:05 作者：本网发布来源：水处理文献速递分享至：

第一作者：Meng Gao

通讯作者：胡学锋教授

通讯单位：陕西科技大学环境科学与工程学院

DOI:10.1016/j.jcis.2025.138305

全文速览

　　本研究通过溶剂挥发与煅烧相结合的方法，以乙酰丙酮钴(II)为钴源，制备了Co₃O₄-CN_x复合材料。通过煅烧方法，实现了碳掺杂与Co₃O₄纳米颗粒的原位生成。钴和碳组分的引入导致材料表面电荷重新分布，构建了新型导电通道，并降低了界面电荷转移电阻，显著提升了电子转移效率，使Co₃O4-CN₂在通过活化过氧单硫酸盐（PMS）降解有机污染物时展现出优异的催化性能。Co₃O₄-CN₂ + PMS系统在15分钟内实现了99.5%的四环素降解率，动力学常数为0.466 min^(−1)。机理分析表明，反应过程涉及单线态氧、高价钴-氧物种以及电子转移介导的非自由基途径。Co₃O₄-CN₂ + PMS系统在广泛的pH范围（4.5–11.0）及存在多种无机阴离子条件下均展现出卓越的降解效率。此外，Keda湖水样和Ba河水样中OTC的降解速率常数分别为0.947 min−1和1.074 min−1，表明该系统具有优异的环境适应性。循环实验进一步证实了该系统保持稳定的降解效率，凸显其在有机废水处理中的实际应用潜力。

图文摘要

引言

　　本研究中，通过在350 °C下煅烧碳氮化物和钴(II)乙酰丙酮盐，合成了具有碳掺杂和钴四氧化物纳米颗粒特性的Co₃O₄-CN_x材料，并将其用作PMS活化催化剂以降解OTC。降解过程遵循非自由基途径，涉及单线态氧、高价钴物种及电子转移。通过评估多种反应参数，实现了对自然水体污染的快速处理。本研究为开发新型碳氮化物改性材料以激活PMS降解水体中有机污染物提供了新的见解。

同位素标记技术

图文导读

Scheme 1. Flow chart for the preparation of Co3O4-CNx.

Fig. 1. (a) XRD and (b) FT-IR spectra and (c) the detail view of different materials.

Fig. 2. (a) the SEM of CN-2″, (b), (c) the SEM of Co3O4-CN2, (d), (e) and (f) the TEM of Co3O4-CN2.

Fig. 3. The XPS spectra of CN-2″ and Co3O4-CN2: (a) C 1 s spectra, (b) N 1 s spectra, (c) O 1 s spectra and (d) Co 2p spectra.

Fig. 4. (a) Degradation of OTC by different materials (cat. = 0.1 g·L−1, PMS = 0.1 mM, OTC = 20 mg·L−1) and (b) the corresponding first-order kinetic constants, (c) different concentrations of PMS, (d) different catalyst concentrations and the corresponding, (e) first-order kinetic fitting, (f) first-order kinetic constants.

Fig. 5. (a) pH value, (b) inorganic anions, (c) different water on OTC degradation in the Co3O4-CN2 + PMS system, (d) the removal efficient of five cycle, [Experiment conditions: catalyst = 20 mg·L−1, PMS = 0.15 mM, OTC = 20 mg·L−1, temperature = 30 °C] (e) FTIR and (f) Co 2p of Co3O4-CN2 and used material.

研究意义

　　综上所述，采用二次煅烧法制备了Co3O4-CN2复合材料。Co3O4-CN2催化剂在PMS作用下对OTC的降解表现出更优的催化活性和稳定性，15分钟后去除效率可达99.5%。此外，Co3O4-CN2+PMS体系还具备较强的抗干扰能力。在无机阴离子共存条件下，对无机阴离子（SO₄²⁻、HCO₃⁻和Cl⁻）的有效去除以及在pH值4.5–11范围内的良好适应性，满足了实际场景中抗生素废水处理的需求。PMS在Co₃O₄位点上的吸附导致了一系列Co(II)的氧化还原行为，从而产生了活性氧 species，同时确保了催化反应的可持续性。自由基淬灭实验和电子顺磁共振（EPR）表征表明，1O2是OTC降解过程中的主要活性物种，高价钴-氧物种也参与了OTC降解，该过程同时伴随电子转移机制。这一机制的发现对Fenton样系统的实际应用具有重要意义。

文献信息

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Meng Gao, Xuefeng Hu, Ying Zeng, Chen Liu, Superior environmentally adaptable carbon doped and Co3O4 nanoparticle modified carbon nitride materials activate PMS for rapid degradation of organic pollutants via non-radical pathways, Journal of Colloid and Interface Science, 2025, https://doi.org/10.1016/j.jcis.2025.138305