近日，污水处理与资源化创新团队在臭氧高级氧化技术方面取得新进展，相关成果以Facile-prepared Fe/Mn co-doped biochar is an efficient catalyst for mediating the degradation of aqueous ibuprofen via catalytic ozonation为题发表于国际著名期刊Chemical Engineering Journal (IF=16.744)。博士后许路为论文第一作者，金鹏康教授为论文通讯作者，该项研究得到了国家自然科学基金、陕西省重点研发计划的资助。

铁/锰共掺杂生物炭的简易制备及其催化臭氧对水中布洛芬的强化去除

题目：Facile-prepared Fe/Mn co-doped biochar is an efficient catalyst for mediating the degradation of aqueous ibuprofen via catalytic ozonation

期刊：Chemical Engineering Journal

发表时间：2023年2月

第一作者：许路 助理教授

通讯作者：金鹏康 教授

图文摘要

文章简介

开发高效、稳定和低成本的催化剂对于臭氧高级氧化技术的进一步发展和实际应用至关重要。在这项研究中，我们提出了一种简便的浸渍-热解法（图1）来制备具有高催化活性和重复使用性的新型多孔铁/锰共掺生物炭（Fe-Mn-C），并将其应用于催化臭氧强化去除水中典型药品类污染物-布洛芬的尝试之中。通过系统的材料表征和相关测试分析发现（图2），在生物炭的碳骨架中成功引入铁/锰杂原子，不仅能产生更多的缺陷位点，促进材料表面的电荷转移，同时还能产生多价态的活性铁/锰物种进一步激活臭氧分子产生更多自由基实现有机污染物的高效降解。在初始溶液pH值为7、臭氧投加量为4.93 mg/min、Fe-Mn-C用量为0.5 g/L的反应条件下， Fe-Mn-C/O₃工艺能在9 min内氧化降解95%以上的高浓度布洛芬（50 mg/L），其矿化效率（总有机碳去除率）高达80.5%，对应的催化反应速率是单独臭氧的6.58倍，同时相较于传统催化剂（如生物炭、活性炭、Fe₃O₄和MnO₂等）也提高了2.3~4.1倍。此外，获得的Fe-Mn-C可以重复使用多个循环，其性能不会大幅降低，也没有明显的金属浸出（图3）。通过对催化臭氧速率和Fe-Mn-C的理化性质进行相关分析（图4-6），确定了Fe-Mn-C的表面官能团、掺杂原子和离域π电子对臭氧分解和活性物种形成的贡献程度，从而深入揭示并阐明了Fe-Mn-C高效催化臭氧实现有机污染物降解去除的内在反应机制。

图1.A) Fe/Mn共掺杂生物炭的制备示意图; B-C)原始生物炭的SEM图像; Fe/Mn共掺杂生物炭的D-E) SEM图像和F-K)元素图谱

图2.原始生物炭和Fe/Mn共掺杂生物炭的A)拉曼光谱和B)XPS总谱; Fe/Mn共掺杂生物炭的C)C1s, D)O1s, E)Fe2p和F)Mn2p高分辨光谱

图3.A-C)不同臭氧氧化系统IBP降解效率; D)不同臭氧氧化系统中IBP降解伪一阶图; E)不同催化臭氧体系的IBP降解效率和矿化效率; F)Fe-Mn-C/O₃体系IBP吸附和降解的重复试验

图4.单独臭氧和Fe-Mn-C/O₃体系中5min和9min时的A)DMPO-•OH, B)DMPO-•O₂^-和C)TMP-¹O₂EPR谱图; D)单一臭氧和Fe-Mn-C/O₃体系中臭氧的分解

图5. 各种淬灭剂对IBP降解的影响: A-B)TBA对•OH的淬灭; C)BQ对•O₂^-的淬灭; D)CAT对H₂O₂淬灭

图6.Fe-Mn-C体系中IBP降解率与A)氧含量,C)晶格氧比,E)表面羟基的强度和F)I_D/I_G的相关性; B)催化反应前后Fe-Mn-C中-O_ads/-OH_lat/-O_lat的比例; D)磷酸盐对单臭氧和Fe-Mn-C/O₃体系中IBP降解的影响

原文信息

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.142028