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    硫/氮共掺杂多孔碳活化过一硫酸盐降解水中塑化剂及非自由基机理

    更新日期:2026-02-16 11:10

      邻苯二甲酸酯(PAEs)是环境中常见的塑化剂类内分泌干扰物。非金属碳基过一硫酸盐(PMS)催化剂因避免金属浸出而受到青睐。本研究利用硫脲同时作为氮源和硫源,葡萄糖作为碳源,通过水热碳化和高温热解(800℃)制备了N,S共掺杂的多孔碳材料(N,S-PC)。X射线光电子能谱(XPS)分析表明,N和S原子被成功引入碳骨架,形成了石墨N、吡啶N和噻吩S等多种活性位点,总掺杂量分别达到8.5at%和3.2at%。

      在催化PMS降解邻苯二甲酸二乙酯(DEP)的实验中,N,S-PC的活性远高于单独N掺杂或S掺杂的碳材料,以及一些文献报道的金属基催化剂。20分钟内,20mg/L的DEP可被完全去除,表观速率常数达0.25min⁻¹。该体系对水中常见无机阴离子(Cl⁻, HCO₃⁻)和腐殖酸的干扰展现出极强的抵抗能力,在真实地表水体和二级出水中仍保持高效(去除率>90%)。机理研究通过电子顺磁共振(EPR)、淬灭实验和电化学测试(线性扫描伏安法、计时电流法),证实该体系以非自由基路径为主:PMS与催化剂表面亚稳态络合,然后通过电子转移的方式从有机物抽取电子,同时伴随产生¹O₂。

      密度泛函理论(DFT)计算揭示了N和S共掺杂的独特协同作用。硫掺杂(尤其是噻吩硫)显著改变了相邻碳原子的电荷密度和自旋密度,使其成为新的催化活性中心,增强了与PMS的相互作用;而氮掺杂(特别是石墨氮)增强了碳平面的导电性,促进了电子从污染物分子向催化剂表面活化络合物的转移。N和S的共掺杂协同改变了碳平面的电子结构,创造了富含电子的活性中心。

      在连续5次循环使用中,催化剂的活性保持稳定,展现了良好的再生性能。该研究为设计对环境因素不敏感的高性能非自由基碳基催化剂提供了新思路,在处理复杂水质的实际工业废水中具有重要的应用价值。