隋曼龄教授课题组：新型Fe3O4基单原子高效催化剂降解有机药物污染物

原创隋曼龄教授课题组研之成理

▲第一作者：Karuppaiah Selvakumar、王越帅

通讯作者：隋曼龄、卢岳

通讯单位：北京工业大学

论文DOI：10.1016/j.apcatb.2021.120740

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本研究成功地制备了单原子负载的Fe₃O₄- ED - rGO光催化剂，通过电镜观察发现大量单氧化钨/钒原子(ST/VAO)均匀沉积在SMAO-MrGO-ED样品中的Fe₃O₄纳米颗粒上，并占据了二价Fe²⁺位。同时，相分析证实，rGO-ED-HPV水解后，Fe₃O₄纳米复合材料主要由Fe₂O₃转化而来。这样一个高度分散的单原子吸附二价价的多晶SMAO-MrGO-ED可见光吸收的纳米复合材料不仅有利于将带隙从2.7 eV 调到2.10 eV，也提供了大量的催化活性位点，进而获得最高的98.43%和98.12%环丙沙星(CF)和布洛芬(IBF)光降解效率。

背景介绍

随着药物科学研究领域的不断发展，人类对各类疾病的抵抗能力得到了极大的提升。然而，在药物研发过程中，废水中的药物残存物往往会引起严重的环境污染问题，这对人们的日常生活产生了极其恶劣的影响。在众多药物之中，环丙沙星和布洛芬作为两种最为常见的抗生素药物，常常残存在于地表水和地下水之中，如何去除上述污染物一直是科学界的重要研究课题。在众多降解有机药物的方法之中，高级氧化法(Advanced Oxidation process, AOPs)是一种目前被广泛应用且具有普适性的水体保护方法之一。然而，由于AOPs中存在纳米粒子聚集、活性较差等问题，其使用寿命也往往较低。如何开发高效、稳定且低成本的AOPs催化剂，是目前急需突破的有机药物污染物降解关键性课题之一。

研究出发点

（1）采用水热法合成了具有高效可见光活性的单原子金属氧化物Fe₃O₄-ED-rGO (命名为SMAO-MrGO-ED)。

（2）Fe₂O₃通过rGO-ED-HPV水解还原而形成多晶Fe₃O₄材料。

（3）在Fe₃O₄纳米颗粒表面拥有较高密度的单金属原子氧化物(SMAO)。

（4）该催化对环丙沙星(CF)和布洛芬(IBF)抗生素的可见活性光催化降解效率高达98.43%和98.12%。

图文解析

本工作合成的催化剂为Fe₃O₄纳米颗粒和石墨烯复合材料，选区电子衍射确定了其物相组成。通过统计，Fe₃O₄纳米颗粒的尺寸主要为12.5 nm左右，拥有较大的比表面积。

原子分辨的HAADF-STEM图像表征和原子模型证实，W元素锚定在Fe²⁺位置上。由于V原子的原子序数较低以及HAADF成像的原因，我们为无法直接观察到V元素的锚定位点，但EXAFS表明W和V都以单原子形式存在。W和V元素的含量分别为2.18%和2.33%。

XAFS以及XPS测试结果表明，W和V元素分别以+6价和+5价的单原子氧化物形式存在于催化剂表面，这两种单原子氧化物的锚定显著提升了催化剂的电子空穴分离能力。

性能测试表明，该催化剂对环丙沙星和布洛芬具有极好的光催化降解效率，在90分钟内能够降解98.43%的环丙沙星污染物，在120分钟内能够降解98.12%的布洛芬污染物。同时在5次循环使用的过程中没有出现显著的性能下降。

通过ESR等测试表明，该催化剂在进行光催化时产生的大量O₂^*-是该催化剂能够高效降解有机污染物的主要原因。在此基础上，我们提出了该催化剂的反应机理如上图所示。

总结与展望

本项工作中，我们首次开发出了一种单原子氧化物锚定的Fe₃O₄基石墨烯光催化剂。该催化剂能够在短时间内高效降解水中的有机药物残留。此催化剂的合成方案能够将价格低廉、无磁性的Fe₂O₃转换为性价比较高、有磁性的Fe₃O₄。该合成方案不仅能够节省成本、变废为宝，其合成出的催化剂因为具有磁性在净水工作结束后易通过外界磁场将催化剂从水中提取出来，避免二次污染。该催化剂的成功开发对高效水净化催化剂的开发具有指导意义。

文章链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0926337321008651

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