氮摻雜缺陷納米碳材料催化臭氧氧化的機理研究取得進展

　　近日，中國科學院過程工程所環境技術與工程研究部青年研究員謝勇冰、研究員曹宏斌與南伊利諾伊大學教授葛慶峰合作，基于密度泛函理論（DFT）計算和機器學習等方法，探究了氮摻雜缺陷納米碳（N-DNCs）材料表面臭氧（O3）活化與單線態氧（1O2）的生成機制，并在此基礎上建立了催化劑表面性質與O3活化活性間的關聯。相關工作發表在Environmental Science & Technology（DOI：10.1021/acs.est.1c08666）上。

　　氮摻雜納米碳材料的制備及其性能研究是近年來碳材料研究領域的熱點之一，受到廣泛關注。難降解有機廢水的處理是廢水治理的難點，常規工藝難以達到理想效果。催化臭氧氧化技術可以利用O3活化產生的OH和O2等活性氧物種（ROS）高效去除水體中的難降解有機污染物。常見實驗方法難以直接監測催化過程中O₃活化及ROS生成與演化的具體路徑，因此揭示催化臭氧氧化過程的界面反應機理具有挑戰。

　　研究團隊前期對催化臭氧氧化過程機理進行了深入調研評判（Environ. Sci. Technol., 2020, 54, 10, 5931–5946），并模擬揭示了原子摻雜石墨烯表面O3活化機理（Chem. Eng. J., 2022, 437, 135340）。科研人員在此基礎上進一步挑選了8種典型構型的N-DNCs以及10個活性位點，通過DFT計算系統探究了O3在這些活性位點上的分解過程，發現O3在所有的活性位點上均能夠分解產生表面吸附氧物種（Oads）及基態氧氣分子（3O2）。其中，Oads既可以作為產生其他ROS的引發劑，又可能在部分活性位點上直接作為ROS進攻有機污染物。而在N4V2體系（雙缺陷四卟啉N體系）的N、C位點以及邊緣吡啶N位點處，除了3O2外，O3也可以被活化為1O2。N4V2體系在各N-DNCs中被預測為具有最好的催化活性。此外，基于以上結果，研究使用機器學習方法進一步探究了催化劑的O3活化活性與其表面的局部和全局電子性質間的關聯。結果顯示，XGBoost模型的預測效果最出色，而簡縮雙描述符（CDD）是最重要的特征。

　　研究工作得到中科院戰略性先導科技專項和釩鈦資源綜合利用國家重點實驗室的支持。 

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