非均相臭氧催化材料制備與應用領域獲新進展

　　近日，清華大學環境學院張瀟源課題組和南京理工大學環境與生物工程學院韓衛清課題組合作開發了一種具有微通道傳質-納米催化反應協同增效的二維化片層式催化劑，并對其在高級氧化水處理過程中的構效關系與傳質-催化促進效應進行了深入研究。團隊通過在二維化鋁箔表面構建微通道強化的微納協同催化結構，大幅提升了催化劑比表面積的利用效率，促進了界面污染物捕集效率與臭氧-自由基轉化速率的顯著提升，實現了低催化劑投加量下的化工尾水等實際廢水高效凈化。

圖1.二維化催化劑微納協同傳質-催化原理示意圖

　　催化劑是非均相高級氧化過程的核心，然而，在實際應用中，催化劑的高比表面積未必對應良好的催化效果。究其主要原因：一是催化劑大量的低效內部結構導致過長的內擴散距離，在催化過程中容易成為反應“死區”；二是由于孔徑效應導致的傳質-催化矛盾，小孔徑有利于提供更高的活性比表面積，但也造成了更低的孔內擴散效率。因此，如何優化催化劑孔道結構、構建具有傳質-催化協同的催化劑功能表面是克服上述缺陷所面臨的一大挑戰。

　　針對上述難題，課題組提出了由傳統的球形顆粒催化劑到二維化催化劑的轉變思路，利用金屬鋁箔片表面的缺陷條紋誘導陽極氧化、磷酸腐蝕與金屬-非金屬協同負載等方法，成功構建得到了具有微米傳質通道-納米催化反應簇鑲嵌的催化劑表面，解決了非均相高級氧化過程中由于傳質距離造成的內擴散受限問題，以及由于單一介孔導致的傳質-催化矛盾問題，進一步通過利用催化劑表面過渡金屬活性位點的臭氧催化作用，實現了吸附型·OHads的高效生成和表面污染物的強化降解，大幅提升了單位質量催化劑的利用效率。

圖2.研究成果被選為《環境科學與技術》（Environmental Science & Technology）補充封面

　　相關研究成果以“二維化催化劑微納協同功能表面構建與水凈化應用”（2D-Like Catalyst with a Micro-nanolinked Functional Surface for Water Purification）為題發表在環境領域知名期刊《環境科學與技術》（Environmental Science & Technology）上，并被選為補充封面。

　　張瀟源和韓衛清為論文共同通訊作者，清華大學環境學院原博士后、現南京理工大學副教授魏卡佳為論文第一作者。論文共同作者包括清華大學環境學院教授黃霞、化學工程系副教授張如范，2023屆碩士畢業生周作勇、2022屆碩士畢業生歐陽長沛，以及南京理工大學環境與生物工程學院2022級博士生顧連凱、2020級博士生李維、2019屆碩士畢業生王陸和2020屆碩士畢業生劉啟擎。