在水凈化中，非均相高級氧化過程的性能在很大程度上取決于催化劑比表面積 (SSA) 的利用率。然而，結構“死體積”的存在和孔徑引起的擴散-反應權衡限制限制了 SSA 的功能。本文，我們報告了一種有效的方法來制造最佳的 SSA，即將傳統(tǒng)的 3D 球粒催化劑轉變?yōu)?2D 狀形式并創(chuàng)建原位微納米連接結構。因此，獲得了一種 2D 狀催化劑，其特點是具有微型“稻田”表面，并且其死體積急劇減少、SSA 可用性高且具有定向靈活性。鑒于其類似稻田的傳質程序，有機捕獲能力比僅具有中孔的催化劑高 7.5 倍。此外，與已報道的毫米級催化劑（金屬基）相比，這種催化劑表現(xiàn)出創(chuàng)紀錄的 2.86 × 10
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3-到-·OH 的轉化率，這使得單位質量催化劑的總有機物去除率比傳統(tǒng) 3D 催化劑高 6.12 倍。2D 類催化劑的規(guī)模制備簡便、性能穩(wěn)定且材料節(jié)省顯著，也有利于實際應用。我們的研究結果為設計在水凈化方面具有優(yōu)異性能的潛在催化劑提供了一種獨特而通用的方法。
圖 1. HAOP 催化劑面臨的挑戰(zhàn)和應對策略示意圖。（a）CFD 模擬輔助的催化劑死體積示意圖。進水流量為 0.0005 m·s–1。（b）孔徑引起的催化劑 SSA 和孔內(nèi)傳質之間的權衡限制。孔的 SSA 是根據(jù)管狀內(nèi)表面（管內(nèi)深度 10 μm）計算的，計算中忽略底部面積。進水流量為 0.0005 m·s–1，平均孔內(nèi)水流速度的 Y 軸為對數(shù)坐標。（c）2DL HAOP 催化劑的設計概念。（d）2D 類催化劑制備進程示意圖。
圖 2. 2DL 催化劑上 MINAL 結構的表征。（a）在磷酸鹽蝕刻步驟從 0 到 40 分鐘期間 AAO 板上微納米結構的排列變化。（b-d）2D-Co/CAFE40 的表面形貌。（e-g）2D-Co/CAFE40 的截面形貌。（h）2D-Co/CAFE40 中鈷的 XPS 結果。插圖顯示 Al 2p 光譜中無定形 Al2O3 的擬合峰。（i）2D-Co/CAFE40 的 XRD 結果。插圖顯示 Co2AlO4 在 2θ 為 36.8° 處的 [311] 晶相。（j）2D-Co/CAFE40、2D-CAFE40 和 2D-??AAOE40 的拉曼結果。
圖3. 所制備催化劑的性能評價。不同催化劑降解苯酚過程中出水中（a）COD去除率、（b）反應動力學曲線和（c）溶解臭氧的比較（條件：初始COD為238 mg·L–1，溶液體積為2 L，進料通量為300 mL·min–1，O3濃度為5 mg·L–1（氣體），氣體流速為0.5 L·min–1，2DL催化劑用量為1 g，3D催化劑用量為5 g，pH緩沖至6.5）。（d）10和60分鐘時苯酚去除過程中中間體的GC-MS圖。（e）以2D-Co/CAFE40為臭氧催化劑的苯酚降解途徑。（f）使用不同催化劑通過催化臭氧化去除實際煤化工廢水中的COD。 （g）2D-Co/CAFE40對實際煤化工廢水COD去除重復試驗。條件：初始COD約為278 mg·L–1，TOC約為79 mg·L–1，溶液體積1 L，進料通量300 mL·min–1，O3濃度5 mg·L–1（氣體），氣體流速0.5 L·min–1，2DL催化劑用量4 g，3D催化劑用量20 g，pH緩沖為6.5（緩沖液：KH2PO4和NaOH）。
圖 4. 催化機理研究。不同催化劑對 TOC（草酸鹽）去除率（a）和動力學曲線（b）以及催化劑利用率（c）的比較。一般條件：草酸濃度為 100 mg·L–1，初始 TOC 約為 25 mg·L–1，臭氧曝氣濃度為 5 mg·L–1，氣體流速為 0.5 L·min–1，2DL 催化劑用量為 4 g，3D 催化劑用量為 20 g，反應時間為 60 分鐘，進水流量為 300 mL·min–1。pH 緩沖至 6.5（緩沖液：KH2PO4 和 NaOH）。比較（d）EPR測定·OH生成強度（條件：超純水中的DMPO 50 mM）和（e）不同催化劑的Rct值（條件：對氯苯甲酸濃度為2μM，溶解臭氧為200μM，叔丁醇（TBA）為320μM，溶液體積為200mL，2DL催化劑量為0.1g，3DL催化劑量為0.5g，pH緩沖至7；緩沖液：KH2PO4和NaOH）。（f）催化劑2D-Co/CAFE0、3D-Co/CAF和2D-Co/CAFE40的·OH猝滅研究（TBA作為·OH清除劑，添加320μM、1mM和10mM）。（g）添加2mM NaF前后DMPO-OH指紋強度的變化。 (h) 添加 O3（5 mg·L–1 氣體）和草酸鹽（100 mg·L–1）以及 50 mM 電解質 Na2SO4 的開路電位曲線。該方法在支持信息（第 S3 頁）中描述。(i) pH 對不同催化劑和純臭氧去除草酸鹽的影響
圖 5. 2D-Co/CAFE40 的結構與性能評估。(a1–a6) 通過條紋誘導 AAO 和兩步蝕刻法生長 MINAL 結構，由 COMSOL 軟件建模。(b1) 2D-Co/CAFE0 表面 (b2, b4) 水和 (b3, b5, b6) 有機溶液的傳質過程的建模與模擬。(c1) 2D-Co/CAFE40 表面 (c2, c4) 水和 (c3, c5, c6) 有機溶液的傳質過程的建模與模擬。
圖 6. 2D-Co/CAFE40 催化劑的適用性和制備可擴展性。（a）評估所制備的 2DL 催化劑的毛細作用、材料柔韌性和彎曲角度。（b）展示生產(chǎn)線和 2DL 催化劑紙的處理以用于規(guī)模化應用。
相關科研成果由清華大學Xiaoyuan Zhang等人于2024年發(fā)表在Environmental Science & Technology（https://doi.org/10.1021/acs.est.3c07536）上。原文：2D-Like Catalyst with a Micro-nanolinked Functional Surface for Water Purification
原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.est.3c07536
轉自《石墨烯研究》公眾號
