文献速递 | 彭伟军&吴晓勇 ACS Applied Materials & Interfaces 高级氧化

第一作者：杨浪

通讯作者：彭伟军 吴晓勇

DOI:10.1021/acsami.1c03601

本文亮点

• 一步法精准合成具有特定六边形结构和高活性晶面的Cu掺杂Mo₂C催化剂。
• 深入探讨多价态Cu-Mo双活性中心对PMS的活化机理以及其对难降解抗生素的降解途径。
• 所得催化剂对医疗废水，印染废水以及矿业废水均有很好处理能力。

前 言


2020年3月，ACS Applied Materials & Interfaces杂志在线发表了郑州大学彭伟军副教授和武汉理工大学吴晓勇副教授在高级氧化领域的最新研究成果。该工作报道了拥有特定晶形和晶面暴露的Cu掺杂Mo₂C对抗生素的高效降解。论文第一作者为：杨浪，论文共同通讯作者为：彭伟军，吴晓勇。

背 景 介 绍


地下水系统和土壤系统中检测到超标浓度的难降解抗生素，若不能对其进行有效的控制，这些抗生素将通过生物链对生物系统及人类产生极大的威胁和危害。近年来，高级氧化技术，过硫酸盐(PMS)活化，由于其对难降解有机物的突出处理能力而广受关注。但是，单独的PMS很难达到理想处理效果，只有在外加激发剂的情况下才能充分发挥其氧化能力。研究表明，基于Cu，Mo，Co等过渡金属激发剂表现出很强的PMS活化能力，而且Cu还被发现对抗生素具有特殊的吸附耦合作用，这可极大的提升其在抗生素降解中的贡献。另外，Mo₂C作为一种Mo-C-Mo结构的二维材料，具有天然的高暴露性Mo活性位点，这使其在众多的PMS激发剂中可能具有特别的优势。基于以上Cu与抗生素的特殊作用和Mo₂C的独特结构，本文通过选择合适碳源和钼源，并经过多段控温，精准合成具有特定六边形结构和高活性晶面（002）的Cu掺杂Mo₂C双活性中心催化剂。系统探究了此PMS活化剂在不同实验和自然条件下对抗生素的降解效能，同时对活化机理以及抗生素降解途径进行了深入分析和讨论。

图 表 解 析


XRD结果显示合成Mo₂C材料具有非常高的晶形，同时其所测得衍射峰位置与理论Mo₂C的特征峰完全吻合，且根据谢乐方程算出其颗粒尺寸约为25.9 nm。在不同Cu用量掺杂后，其晶形均未发生明显变化。XPS进一步表明，所得材料主要有Cu，Mo，C三种元素组成，且Cu和Mo表现出多价赋存状态。

扫描电镜下的微观结构显示，Mo₂C表现出片状结构，其厚度大约为28.7 nm。Cu掺杂后，Cu-Mo₂C仍表现出较好的片状结构。透射电镜进一步观察到，Cu-Mo₂C主要以较规则的六角形二维片状存在，其HRTEM和SEAD均说明其具有非常完好的晶体结构和特定暴露的(002)晶面。TEM-EDS分析得出，Cu元素沿Mo₂C结构分布，均匀的掺杂在Mo₂C中，这对PMS活化具有极大的促进作用。

通过与Cu-Mo₂C/H₂O₂芬顿系统和经典的PMS活化剂Co₃O₄和Fe₂O₃相比，Cu-Mo₂C表现出特别高的降解效率，20 min内即可全部去除100%的抗生素。其降解速率更是比前述PMS活化剂高出25-50倍。

通过单因素实验，系统考察了不同因子对Cu−Mo₂C活化PMS降解抗生素的影响，优化实验条件。最终得出最好的反应环境为：PMS用量0.3 g/L, 抗生素浓度40 ppm，初始pH=5，Cu−Mo₂C用量0.2 g/L，反应温度为25 ℃。


通过EPR测试和淬灭实验探究PMS活化和抗生素降解机理发现，PMS活化中主要产生SO₄^•−，•OH 和O₂^•−三种高活性基团，且这三种基团对抗生素的降解贡献遵从以下顺序：SO₄^•− > •OH > O₂^•−。




全 文 小 结


本文通过选择合适碳源和钼源，经过多段控温，精准合成具有特定六边形和高活性晶面暴露的Cu掺杂Mo₂C双活性中心催化剂。其对医疗废水，印染废水以及矿业废水等均具有较好处理效果，20 min即可实现这些难降解有机物的全部脱除。同时，其抗干扰能力和循环稳定性亦极强，具有非常高的实用价值。本文为设计构建更加高效的高级氧化催化剂提供了一种具有前景的策略。

作 者 简 介


彭伟军，郑州大学大学副教授。主要研究方向为：矿物基先进功能材料的可控制备及应用；低品质复杂矿产资源高效提取理论与技术；化工、选冶固废和废水综合处置及资源化利用；2017年9月入职郑州大学冶金工程专业，并加入刘炯天院士和曹亦俊教授资源加工与高效利用团队。在Hydrometallurgy、Miner. Eng.、Appl. Mater. Today、ACS Appl. Mater. Inter.等国际一流期刊上发表论文近30篇。
吴晓勇，武汉理工大学副教授。主要研究方向为：环境净化（水，气，固）及其能源转化、储存和节约用纳米环境材料的开发与应用2016年入选湖北省楚天学子，在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., J. Mater. Chem. A, Appl. Catal. B: Environ., Nanoscale等国际一流期刊上发表论文近40篇。
杨浪，墨西哥圣路易斯坡托西自治大学博士。主要研究方向为：矿物基功能材料的可控制备及应用；固体废弃物的定向资源开发及高值化利用；化工和选冶废水综合治理。在Appl. Catal. B: Environ.，ACS Appl. Mater. Inter.，Sep. Purif. Technol.等国际一流期刊上发表论文10余篇。

文献信息：

Yang, L., Chen, H., Jia, F., Peng, W., Tian, X., Xia, L., Song, S. (2021). Emerging Hexagonal Mo2C Nanosheet with (002) Facet Exposure and Cu Incorporation for Peroxymonosulfate Activation Toward Antibiotic Degradation. ACS Applied Materials & Interfaces.https://doi.org/10.1021/acsami.1c03601

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本文素材来源：郑州大学彭伟军副教授和武汉理工大学吴晓勇副教授团队。

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