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POM | 东北师范大学王晓红:构建POMs/生物炭大孔材料强化吸附高级氧化降解水中环境激素

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1、背景介绍

邻苯二甲酸酯(PAEs)广泛应用在塑料、粘合剂和化妆品等多种产品中,普遍存在于水环境特别是饮用水中,被称为环境激素、影响人们的健康。PAEs结构稳定导致传统的生物和化学降解方法难以有效移除,目前多采用物理吸附方法去除。多金属氧酸盐(POMs)具有酸性和氧化还原性,在高级氧化处理(AOP)领域备受重视。但其均相性能抑制其应用,POMs的非均相化一直是本领域重要研究内容,以多孔材料为载体的固载方法是常见的策略。同时利用载体强化有机污染物的吸附并促进POMs的AOP活性,是实现高效有机污染物降解的方法之一。


2、成果简介

本文开发了一种基于爆米花生物炭固载POMs构建的大孔催化材料、高效降解水中PAEs的新策略。该催化材料耦合强Brønsted酸性、氧化还原能力、微米级孔径和高比表面积,提出吸附、酸解、氧化去除PAEs的路线。POMs与碳骨架间电子转移促进氧气还原生成活性氧物种(ROS)、并限域在大孔内协同提高AOP氧化效率。与介孔及小孔载体相比,POMs/biochar表现出良好的吸附长链PAEs的能力,提高非均相催化剂的原料适应性。在常温、常压下90 min,80%–88%的PAEs被去除、72%–79%化学需氧量和64%–74%总有机碳的去除率。吸附/酸解/氧化的AOP策略可以高效去除饮用水中超低浓度的PAEs。催化剂表现出高的稳定性和循环利用性,在反应中无溶脱。



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3、图文导读

王晓红教授课题组(东北师范大学)和张丹课题组(北华大学)合作开发了一种针对水体中环境激素PAEs的高效AOP降解策略。团队采用了原位煅烧法将爆米花生物炭作为载体固载Keggin型H5PMo10V2O40(HPMoV),构建了大孔催化材料HPMoV(n)/biochar。通过红外光谱、拉曼光谱、X射线光电子能谱等手段研究材料的形成机理,证实生物炭的羟基和HPMoV端氧原子通过氢键连接而成(图1(a))。这种连接方式保证了HPMoV的活性位点不会从载体中溶出。同时,研究团队发现在制备过程中HPMoV中的V5+与生物炭中的-OH之间的作用是V4+生成的主要原因(图1(b)),而V4+有利于与O2发生电子转移作用生成ROS。


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图1Biochar(I),HPMoV(n)/biocharn为12到63,II到VI)和HPMoV(VII)的红外光谱图(a)和HPMoV(44)/biochar的XPS谱图(b)


PAEs AOP降解反应中,HPMoV(44)/biochar显示出优异的催化性能,其强Brønsted酸性和氧化还原特性、微米级孔径和高比表面积,协同催化氧气氧化PAEs(图2(a)和2(b))。反应路径研究表明HPMoV(44)/biochar通过酸催化水解和氧化降解路径(图2(c)),在常温、常压下90 min内实现了80%–88%的PAEs降解效率,同时伴随着显著的化学需氧量和总有机碳的降低72%–79%和64%–74%(图2(d))。POMs与生物炭之间的电子转移提高了氧气还原生成ROS的能力;同时生物炭大孔结构起到限域ROS的作用(图2(e))。两种作用进一步提高PAEs的氧化降解速度。复合材料大的孔径及强吸附能力使其具有非常广的原料适应性及处理超低浓度PAEs的能力。


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图2不同催化剂随时间变化降解PAEs的效率(a);不同催化剂对PAEs的吸附效率(b);HPMoV(n)/biochar降解PAEs的路径图(c);HPMoV(44)/biochar降解PAEs的效率(d);反应体系中的EPR谱图(e)


HPMoV(44)/biochar表现出优异的非均相特性,在两种AOP处理工况下,均表现出高稳定性(图3(a)和3(b))。


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图3HPMoV(44)/biochar的重复实验及损失率


本研究利用生物炭为载体、炭化/固载一步完成,合成出POMs/biochar大孔复合材料,提出耦合吸附、酸解、氧化AOP处理水中的环境激素(PAEs)的方法;并利用炭载体和POMs间的电子转移及大孔限域作用实现不同种类、不同浓度PAEs的氧化去除。开发了一种新型、高效、稳定的POM催化材料,为氧气的高级氧化水处理技术提供借鉴、也为酯类有机污染物的去除提出新的思路。


3、作者简介:


王晓红,女,博士,教授,博士生导师。现任东北师范大学多酸与网格科学教育部重点实验室。主要从事基于POMs催化剂的设计合成及性能研究。近10年来连续主持和参与了多项国家自然科学基金重点项目、面上项目。同时主持吉林省科技厅重大项目,长春市科技局重大项目等多项项目。在ACS. Catal.Appl. Catal. B-Environ.Green Chem.ChemSusChem.J. Hazard. Mater.等期刊发表催化化学方面学术论文二百余篇,现为多个国际刊物审稿人。




文章信息


Qiwen Wang, Jiaxin Wang, Dan Zhang*, Yuannan Chen, Jian Wang, and Xiaohong Wang*. Fabrication of macroporous POMs/biochar materials for fast degradation of phthalic acid esters through adsorption coupled with aerobic oxidation. Polyoxometalates, 2024, 3(3), 9140064.

https://doi.org/10.26599/POM.2024.9140064

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期刊介绍



Polyoxometalates于2022年创刊,由清华大学主办,清华大学魏永革教授担任主编的国际首个多金属氧簇领域跨学科学术期刊,旨在传播多金属氧簇领域前沿基础研究和创新性应用研究最新进展,致力于为国内外多金属氧簇领域的学者搭建一流的国际学术交流平台,促进多金属氧簇领域学术交流和发展。

Polyoxometalates发表内容涵盖多金属氧簇领域各方面的原创研究和综述论文,包括合成、组装、理论计算,基于多金属氧簇的超分子、分子器件及其它功能材料,以及多金属氧簇在催化、能源、环境、生物学和医学中的应用等。本刊为开放获取期刊。已被DOAJ数据库收录。欢迎大家选择Polyoxometalates发表前沿、创新、新颖的研究成果!

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Polyoxometalates——Call for papers

❖ 包括但不限于多金属氧簇的合成、组装、理论计算,基于多金属氧簇的超分子、分子器件及其它功能材料,以及多金属氧簇在催化、能源、环境、生物学和医学中的应用等。

Polyoxometalates邀请您提交原创研究、研究快报、综述、观点、研究亮点及评论等。所有论文一经录用,24小时内在线发表。


投稿网址:

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pom@tup.tsinghua.edu.cn


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