任南琪院士团队冯骁驰课题组在ES&T封面和JHM系列成果：构建选择性过硫酸盐处理体系和Co-rGO基复合材料的改性思路
任南琪院士团队冯骁驰课题组在ES&T封面和JHM系列成果：构建选择性过硫酸盐处理体系和Co-rGO基复合材料的改性思路
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以下文章来源于生态环境科学 ，作者冯骁驰课题组
最新学术成果
研究进展
1 通过复合 Co 基和 rGO 基材料建立自由基和非自由基协同氧化的过硫酸盐体系
在 PMS 系统中，自由基和非自由基氧化对污染物的降解作用不同。有研究表明，这两种氧化途径的协同作用比单一途径更有效，主要是由于充分利用了氧化能力和对不同环境的更好适应。到目前为止，已经开发了许多复合材料来产生多种活性物质，通过组合氧化途径在 PMS 处理中表现出更高的性能。遗憾的是，研究人员仅揭示了多种活性物种的共存改善了降解性能，但改善的原因仍需说明。
我们将 Co 3 O 4 材料和还原氧化石墨烯（ rGO ）材料复合制备出 Co 3 O 4 @rGO 材料用于 PMS 催化降解四环素（ TC ），发现复合材料兼具了 Co 3 O 4 产生的自由基途径和 rGO 产生的非自由基途径。批次实验证明复合材料大大提高了降解效果，而泛函密度理论（ DFT ）计算和副产物分析共同解释了自由基和非自由基活性物种的协同作用而不是独立作用扩展了 TC 降解途径，提高了降解性能。
研究成果发表在中科院一区期刊 J. Hazard. Mater. 上。
图 1 TC 降解在不同催化体系下的批次实验和淬灭实验，活性物质捕获的电子顺磁谱（ EPR ）
图 2 可视化的 TC 分子的 f + 、 f - 、 f 0 福井函数值
图 3 推测的 TC 的降解途径
图 4 Co 3 O 4 @rGO 材料的微观形貌
研究成果被期刊 Appl. Catal. B, Chem. Eng. J . 等期刊论文正面引用与评述。
2 通过氮硫掺杂修饰 Co-rGO 复合材料并以此改变降解机理和调控性能
在完成上一个工作之后，我们仍然认为用于催化过硫酸盐降解污染物的材料有一些缺陷（比如 Co 的溶出量较高），于是在制备过程中加入尿素作为 N 源硫单质作为 S 源以改性材料。结果发现 N 均匀地插入到 Co@rGO 的还原氧化石墨烯（ rGO ）基质中，在不影响活化机制转变的情况下诱导降解效率显着提高。而 S 掺杂将 Co@rGO 中的 Co 3 O 4 转化为 Co 4 S 3 ，并将协同氧化途径转变为强度更强的单一非自由基途径，从而提高了对环境干扰的稳定性。值得注意的是，基于密度泛函理论 (DFT) 计算，我们证明 Co 4 S 3 比 Co 3 O 4 具有更高的 PMS 吸附和裂解能垒，因此， Co 4 S 3 不易激发自由基途径。总体而言， N 和 S 共掺杂得到的 Co@rGO-N,S 的降解性能大大提高，通过改变结构和活化机制表现出更高的稳定性、适应性和可重复使用性。这一工作继续以理论计算和实验分析结合，分析并调控催化剂改性对于降解机理和性能的提高。
https://doi.org/10.1021/acs.est.2c04172
图 2 (a) 分别计算 PMS 在 Co-O 和 Co-S 晶面上的吸附和裂解的自由能演化。 (b) PMS 在 Co 4 S 3 和 Co 3 O 4 平面上吸附和裂解各状态的原子结构。 S0 （初始状态）： PMS 和晶体； S1 ： PMS 吸附在晶体上； S2 ： PMS 在晶体上裂解成 S O 4 - • 和 •OH ； S3 （最终状态）： S O 4 - • 从晶体中逸出。
通过上述工作的研究，我们发现在过硫酸盐催化体系中，自由基和非自由基氧化途径的结合会充分使用污染物的氧化容量，即使二者强度不变依然可以促进污染物降解。而超高强度的非自由基途径受水体环境因素干扰更小。此外，氮硫掺杂作为一种材料改性的工艺依然是有效的，对于催化过硫酸盐的体系有着调控氧化途径和提高降解效率的作 用。
作者介绍
冯骁驰 ，男，汉族，中共党员，哈尔滨工业大学（深圳）土木与环境工程学院，副教授/博士研究生导师，入选2021年哈尔滨工业大学（深圳）青年拔尖人才，深圳市高层次人才后备人才，城市水资源与水环境国家重点实验室固定成员。中国化学快报（ Chinese Chemical Letters ）青年编委，第四届中国化学快报青年环境化学家论坛执行副主席，中国环境科学学会高级会员，IWA会员。在 Environmental Science & Technology、Journal of Membrane Science 等环境领域SCI期刊发表论文40余篇，Web of Science的 H-index 20，担任 Water Research 等多个国际期刊审稿人，授权国家发明专利4项。2017和2021年获省部级科学技术二等奖（自然类，第二完成人）和三等奖（自然类，第三完成人）。主持深圳市可持续发展专项，国家自然科学基金青年基金，广东 省自然科学基金面上项目等国家和省部级课题7项。
任南琪 ，中国工程院院士，城市水资源与水环境国家重点实验室主任，“城市水质转化规律与保障技术”国家创新研究群体带头人。兼任国务院住房城乡建设部海绵城市建设技术指导专家委员会主任委员，国务院学位委员会学科评议组召集人，教育部资源环境与地球科学部委员，住建部科学技术委员会城镇水务专业委员会主任，国际水协（IWA）Fellow，教育部环境类专业指导委员会副主任委员，中国环境科学学会副理事长，中国能源学会副会长等。
长期从事城市水资源与水环境改善对策，污水减污降碳处理工艺、技术与设备，废物资源化及能源化理论与技术，环境微生物系统生物学与生态学等方面研究。完成了世界首例生物制氢中试（1999年）和生产规模试验（2005年）；开发出高浓度难降解工业有机废水集成化处理理论、技术与装备；组织建立了“国际持久性有毒物质联合研究中心”；提出了符合我国国情具有生态功能导向的城市水循环系统4.0、海绵城市建设路径及技术措施。获国家技术发明二等奖1项、国家科技进步二等奖2项、全国创新争先奖状、省部级奖12项，何梁何利基金科学与技术进步奖1项，出版著作12部；发表论文SCI收录600余篇（引用20000+，H因子71)；授权国家发明专利60+。入选国家“百千万人才工程”一、二层次，教育部“跨世纪优秀人才培养计划基金”获得者，香港裘磋基金获得者，享受国务院特殊津贴。
主要完成者 ：肖子杰、石弘弢、周佰勤、王文倩、王咏梅