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，即將傳統的 3D 球粒催化劑轉變為 2D 狀形式并創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，這種催化劑表現出創紀錄的 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 3D 催化劑高 6.12 倍。2D 類催化劑的規模制備簡便、性能穩定且材料節省顯著，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 和孔內傳質之間的權衡限制。孔的 SSA 是根據管狀內表面（管內深度 10 μm）計算的，計算中忽略底部面積。進水流量為 0.0005 m·s–1，平均孔內水流速度的 Y 軸為對數坐標。（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）展示生產線和 2DL 催化劑紙的處理以用于規模化應用。
相關科研成果由清華大學Xiaoyuan Zhang等人于2024年發表在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
