在水净化中，非均相高级氧化过程的性能在很大程度上取决于催化剂比表面积 (SSA) 的利用率。然而，结构“死体积”的存在和孔径引起的扩散-反应权衡限制限制了 SSA 的功能。本文，我们报告了一种有效的方法来制造最佳的 SSA，即将传统的 3D 球粒催化剂转变为 2D 状形式并创建原位微纳米连接结构。因此，获得了一种 2D 状催化剂，其特点是具有微型“稻田”表面，并且其死体积急剧减少、SSA 可用性高且具有定向灵活性。鉴于其类似稻田的传质程序，有机捕获能力比仅具有中孔的催化剂高 7.5 倍。此外，与已报道的毫米级催化剂（金属基）相比，这种催化剂表现出创纪录的 2.86 × 10^–8 O₃-到-·OH 的转化率，这使得单位质量催化剂的总有机物去除率比传统 3D 催化剂高 6.12 倍。2D 类催化剂的规模制备简便、性能稳定且材料节省显著，也有利于实际应用。我们的研究结果为设计在水净化方面具有优异性能的潜在催化剂提供了一种独特而通用的方法。
 
 
图 1. HAOP 催化剂面临的挑战和应对策略示意图。（a）CFD 模拟辅助的催化剂死体积示意图。进水流量为 0.0005 m·s–1。（b）孔径引起的催化剂 SSA 和孔内传质之间的权衡限制。孔的 SSA 是根据管状内表面（管内深度 10 μm）计算的，计算中忽略底部面积。进水流量为 0.0005 m·s–1，平均孔内水流速度的 Y 轴为对数坐标。（c）2DL HAOP 催化剂的设计概念。（d）2D 类催化剂制备进程示意图。
 
 
图 2. 2DL 催化剂上 MINAL 结构的表征。（a）在磷酸盐蚀刻步骤从 0 到 40 分钟期间 AAO 板上微纳米结构的排列变化。（b-d）2D-Co/CAFE40 的表面形貌。（e-g）2D-Co/CAFE40 的截面形貌。（h）2D-Co/CAFE40 中钴的 XPS 结果。插图显示 Al 2p 光谱中无定形 Al2O3 的拟合峰。（i）2D-Co/CAFE40 的 XRD 结果。插图显示 Co2AlO4 在 2θ 为 36.8° 处的 [311] 晶相。（j）2D-Co/CAFE40、2D-CAFE40 和 2D-​​AAOE40 的拉曼结果。
 

图3. 所制备催化剂的性能评价。不同催化剂降解苯酚过程中出水中（a）COD去除率、（b）反应动力学曲线和（c）溶解臭氧的比较（条件：初始COD为238 mg·L–1，溶液体积为2 L，进料通量为300 mL·min–1，O3浓度为5 mg·L–1（气体），气体流速为0.5 L·min–1，2DL催化剂用量为1 g，3D催化剂用量为5 g，pH缓冲至6.5）。（d）10和60分钟时苯酚去除过程中中间体的GC-MS图。（e）以2D-Co/CAFE40为臭氧催化剂的苯酚降解途径。（f）使用不同催化剂通过催化臭氧化去除实际煤化工废水中的COD。 （g）2D-Co/CAFE40对实际煤化工废水COD去除重复试验。条件：初始COD约为278 mg·L–1，TOC约为79 mg·L–1，溶液体积1 L，进料通量300 mL·min–1，O3浓度5 mg·L–1（气体），气体流速0.5 L·min–1，2DL催化剂用量4 g，3D催化剂用量20 g，pH缓冲为6.5（缓冲液：KH2PO4和NaOH）。
 
  
图 4. 催化机理研究。不同催化剂对 TOC（草酸盐）去除率（a）和动力学曲线（b）以及催化剂利用率（c）的比较。一般条件：草酸浓度为 100 mg·L–1，初始 TOC 约为 25 mg·L–1，臭氧曝气浓度为 5 mg·L–1，气体流速为 0.5 L·min–1，2DL 催化剂用量为 4 g，3D 催化剂用量为 20 g，反应时间为 60 分钟，进水流量为 300 mL·min–1。pH 缓冲至 6.5（缓冲液：KH2PO4 和 NaOH）。比较（d）EPR测定·OH生成强度（条件：超纯水中的DMPO 50 mM）和（e）不同催化剂的Rct值（条件：对氯苯甲酸浓度为2μM，溶解臭氧为200μM，叔丁醇（TBA）为320μM，溶液体积为200mL，2DL催化剂量为0.1g，3DL催化剂量为0.5g，pH缓冲至7；缓冲液：KH2PO4和NaOH）。（f）催化剂2D-Co/CAFE0、3D-Co/CAF和2D-Co/CAFE40的·OH猝灭研究（TBA作为·OH清除剂，添加320μM、1mM和10mM）。（g）添加2mM NaF前后DMPO-OH指纹强度的变化。 (h) 添加 O3（5 mg·L–1 气体）和草酸盐（100 mg·L–1）以及 50 mM 电解质 Na2SO4 的开路电位曲线。该方法在支持信息（第 S3 页）中描述。(i) pH 对不同催化剂和纯臭氧去除草酸盐的影响
 
 
图 5. 2D-Co/CAFE40 的结构与性能评估。(a1–a6) 通过条纹诱导 AAO 和两步蚀刻法生长 MINAL 结构，由 COMSOL 软件建模。(b1) 2D-Co/CAFE0 表面 (b2, b4) 水和 (b3, b5, b6) 有机溶液的传质过程的建模与模拟。(c1) 2D-Co/CAFE40 表面 (c2, c4) 水和 (c3, c5, c6) 有机溶液的传质过程的建模与模拟。
 
 
图 6. 2D-Co/CAFE40 催化剂的适用性和制备可扩展性。（a）评估所制备的 2DL 催化剂的毛细作用、材料柔韧性和弯曲角度。（b）展示生产线和 2DL 催化剂纸的处理以用于规模化应用。
  
      相关科研成果由清华大学Xiaoyuan Zhang等人于2024年发表在Environmental Science & Technology（https://doi.org/10.1021/acs.est.3c07536）上。原文：2D-Like Catalyst with a Micro-nanolinked Functional Surface for Water Purification
原文链接：https://doi.org/10.1021/acs.est.3c07536

转自《石墨烯研究》公众号