潘丙才/钱杰书教授课题组Angew：惰性载体调控催化剂活性位结构及其催化降解污染物性能
潘丙才/钱杰书教授课题组Angew：惰性载体调控催化剂活性位结构及其催化降解污染物性能
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《水处理技术》杂志是水处理行业内影响广泛、价值卓著的优秀期刊之一。注重理论研究的权威性、应用技术的创新性和工程应用的实效性，主要登载反映各种水处理方法研究及应用的新成果、新动态。
近二十年来，深度水处理纳米材料与技术在学界和产业界均得到了越来越多的关注。实际水处理过程中纳米材料往往存在易团聚失活、操作困难、潜在安全风险等瓶颈，利用大尺寸惰性载体固定纳米颗粒从而制备限域结构的复合纳米材料是应对上述瓶颈最为有效的策略之一。化学、材料学等相关学科的研究表明，限域后的纳米材料较体相材料在结构与性能上往往可表现出显著差异，即纳米限域效应，这一效应在深度水处理领域的研究也得到部分印证，但关于复合纳米材料水处理限域效应的科学机制研究刚处于起步阶段（ Environ. Sci. Technol. 2020 , 54 , 8509 ）。近年来，南京理工大学钱杰书教授课题组与南京大学潘丙才教授团队通力合作，在相关复合材料的构建方法（ Nano Lett. 2021 , 21 , 10292 ）、载体-纳米材料的相互作用以及复合材料在吸附、催化高级氧化等深度水处理技术中的应用（ Environ. Sci. Technol. 2021 , 55 , 665 、 Environ. Sci. Technol. 2021 , 55 , 6397; Appl. Catal. B: Environ. , 2021 , 298 , 120537; Appl. Catal. B: Environ. , 2021 , 292 , 120193; Nano Res. , 2021 , 14 , 2383 ）等方向取得了一定进展。相关研究表明，载体与纳米颗粒相互作用的认知是精准调控复合纳米材料结构与净污性能的重要科学基础。
最近，团队通过研究进一步拓展了对载体与纳米颗粒相互作用关系的新认知，即一定条件下载体不仅可提供物理空间固定纳米颗粒，还可改变纳米颗粒的表面活性位结构，从而影响其去除污染物的性能。以Co 3 O 4 -CeO 2 纳米复合催化剂为例，纳米Co 3 O 4 是类芬顿反应等诸多常见反应的催化剂，而惰性CeO 2 则被广泛用作其载体。研究先通过改变复合材料的制备方向，将CeO 2 载体通过离子交换反向负载于活性Co 3 O 4 纳米颗粒表面，从而制备出新型复合催化剂Co 3 O 4 @CeO 2 -IE（图1a所示）。在催化活化过一硫酸盐降解阿特拉津的类芬顿反应中，Co 3 O 4 @CeO 2 -IE的催化活性比传统负载方法所制的Co 3 O 4 /CeO 2 -IM催化活性提升一个数量级（17.3倍），而比Co 3 O 4 纳米颗粒的催化活性提升两个数量级（139倍）（图1b）。一系列实验证据和理论计算证明，惰性Ce原子可浸入Co 3 O 4 的表面晶格并取代Co 3 O 4 表面的部分Co原子。这一结构特点不仅可产生更多的表面活性氧空位，而且可将Co原子旁的原有氧空位转变为与Co和Ce共邻的氧空位结构，从而显著降低硫酸根自由基从催化剂表面脱附步的活化能，导致其催化活性大幅提升。该成果为拓展载体与纳米颗粒相互作用关系的认知、调控复合纳米催化剂的结构及在污染物催化降解中的应用提供了新的研究视角。
研究成果以 “Overturned Loading of Inert CeO 2 to Active Co 3 O 4 for Unusually Improved Catalytic Activity in Fenton-like Reactions” 为题在线发表于 Angew. Chem. Int. Ed. (10.1002/anie.202200406) ，潘丙才教授和钱杰书教授为共同通讯作者。本研究受到了国家杰出青年基金（ 21925602 ）与江苏省杰出青年基金（ BK20211522 ）资助。
图 1(a) 反向负载 ( 上 ) 与正相负载 ( 下 ) 策略所制备 Co 3 O 4 -CeO 2 复合纳米催化剂的结构示意图； (b) 反向负载 Co 3 O 4 催化剂用于类芬顿催化活化 PMS 降解阿特拉津的突出性能
（来源：环境功能材料与水污染控制）