宏观三维多孔类Fenton纳米催化剂的组装制备及其降解有机污染物的增效机制

Nanomaterials have great potential in the pollution control of persistent organic pollutants. However, it is still a big challenge to use nanomaterials stably, safely and efficiently in our macroscopic and open environmental system. In this project, assisted by macroscopic assembly of graphene oxide from the phase separation in its solution, a macroscopic three-dimensional porous structural reduced graphene oxide/nano iron oxides heterogeneous Fenton-like catalyst will be fabricated. Through modifications of graphene oxide and nano iron oxide in the molecular level and nanoscale, we will study the controllable mechanism of liquid crystal behavior of the assemble unit and the phase separation processes on the physiochemical properties of the macroscopic structural catalysts; aiming to enhance the catalytic activation of H2O2, selectivity of radical pathway conversion and the hierarchical porous structures of catalysts, we will investigate the synergic mechanisms and the influence rules of active components and its chemical environment in catalysts. Moreover, the influence rules of reaction parameters in Fenton-like catalytic process on the degradation and conversion of 4-chlorophenol in static and dynamic experiments will be studied, and the thermodynamic and dynamic model of adsorption and catalytic reaction will be built up. Base on this, a new efficient technology for the treatment of real persistent organic pollution wastewater with fixed bed characteristic will be proposed. The results in this project will bring new insights for the practical macroscopic environmental applications of functional nanomaterials.

纳米材料在环境污染控制中具有重要应用前景，然而在宏观开放的环境系统中如何稳定、安全而高效地使用纳米材料是一个难题。本项目拟借助氧化石墨烯溶液的相分离组装方法，构建具有宏观三维多孔结构的还原氧化石墨烯/纳米铁氧化物类Fenton催化剂。通过对氧化石墨烯和纳米铁氧化物在分子层次和纳米尺度的修饰改性，研究组装结构单元的液晶行为与相分离过程对催化剂物理化学性质的调控机制；针对H2O2的催化活化、自由基转化途径的选择性和催化剂的孔隙结构进行强化，探究催化剂的活性组分及其所在化学环境对催化活化H2O2的影响规律与协同作用机理。研究静态和动态实验中反应条件对4-氯酚降解和转化的影响规律，建立吸附和催化反应的热力学和动力学模型，提出以固定床为特征、能够有效处理实际难降解有机污染废水的新技术。研究成果将启迪纳米功能材料应用到实际宏观环境系统中的新思路。

类芬顿反应能够有效去除环境中的难降解持久性有机污染物，是污染控制化学的重要研究内容。研制用于类芬顿反应的三维多孔催化剂并剖析双氧水的活化机制，有望突破纳米材料在环境污染控制应用中的不稳定和低效率问题。本项目围绕“三维多孔类芬顿催化剂的组装制备”与“类芬顿催化反应的强化机制”两个关键问题开展了研究，先后研制了以石墨烯和酚醛树脂为代表的碳基催化剂和以介孔分子筛为代表的硅基催化剂；拓展研究了无金属的氮掺杂碳活化过硫酸盐的类芬顿反应体系；深入分析了类芬顿反应中所涉及的H2O2催化活化机理、自由基与非自由基反应原理、以及有机物在多孔结构中的吸附与扩散规律等。本项目的研究解决了以下科学问题：（1）发展了基于酚醛树脂和石墨烯的三维多孔碳气凝胶类芬顿催化剂的合成方法，揭示了三维多孔结构中有机物的吸附与扩散机制，提出了能够有效改善孔隙结构、亲水性、抑制金属溶出和增强稳定性的空气下热处理策略；（2）提出了一种基于碳化聚吡咯的高活性氮掺杂碳类芬顿催化剂制备方法，揭示了其催化活化过硫酸盐的非自由基反应机理，阐明了依赖于有机污染物电离电势的选择性降解规律；（3）提出了一种基于还原氧化石墨烯-氧化铁复合物的、高吸附容量和吸附速率的多功能材料合成方法，建立了一种基于该复合物的吸附-类芬顿再生新方法；（4）发展了一种高催化活性和宽适用pH的硅基载铁催化剂合成方法，揭示了铝稳定介孔结构、增强H2O2活化效率的调控机制。项目所提出的类芬顿催化剂制备方法和类芬顿反应强化机制对开发高性能纳米环境功能材料与类芬顿污染控制技术具有理论参考价值，所阐明的有机污染物降解规律对类芬顿水处理技术的工程实践具有指导意义。项目研究工作已经在Environ Sci Technol, Appl Catal B, J Hazard Mater, J Mater Chem A等刊物发表标注基金的SCI论文19篇，其中影响因子大于4的15篇，被引200余次，1篇Appl Catal B论文入选ESI高引论文。