研究背景
高级氧化过程(AOPs)是通过活性氧物种(ROS)攻击去除水中污染物的重要化学方法，与传统的物理和生物过程相比，降解污染物的速度更快，而且可以使它们矿化。在 AOPs 中，O2、臭氧、H2O2 和过硫酸盐通常被用作氧化剂，并被热、光、超声波、电化学和催化剂激活。其中 O2 是最容易获得并且最环保的。然而，在相对温和的条件下，O2 的活化往往难以实现。催化湿式空气氧化(CWAO)是一种活化 O2 进而降解高浓度有机污染物的有效方法。但是要实现良好的去除率，通常需要较高的温度(~ 100℃)和压力(~ 5mpa)，但操作成本和设备投资都很高。因此，合理并且科学的制备催化剂是活化 O2 进行水相有机物氧化降解的关键。具有更大比表面积的三维催化剂能促进传质，减小反应物与催化剂之间的阻力，扩散距离短，有利于催化性能的提高，因此，三维材料应该被认为是环境条件下活化 O2 的高级多相催化剂。MnO2 是一类重要的过渡氧化物，因为其原料不仅便宜，而且毒性低。在锰氧化物中，二氧化锰材料已广泛应用于吸附、催化等领域，由 KMn8O16 组成的 OMS-2 作为 α-MnO2 材料之一，在苛刻的条件下作为活化过硫酸盐和 O2 的催化剂得到了广泛的应用，然而，迄今为止合成三维 OMS-2 的报道却开展较少。
论文详情
基于上述背景，作者团队开发了一种双金属掺杂策略，利用 Ce(NO3)2 和 Bi(NO3)2 作为掺杂剂，将传统的一维 OMS-2 调谐为新型的三维 OMS-2。该三维材料表现出纳米晶的形貌，可以单独作为固体可循环氧化剂，在无氧环境条件下直接高效氧化污染物。本文首次采用共掺杂的方法制备隐钾锰矿型三维 MnO2 纳米棱柱(Ce-Bi-OMS-2)，其在室温条件下对 O2 的活化催化能力显著增强,此外，室温条件下，该催化剂可以成功地应用于 CWAO 中。研究了双金属掺杂催化剂的结构尺寸与 O2 活化降解水溶液有机物的催化活性之间的关系，此外，还探讨了催化剂的织构性能、表面氧物种和空位对催化剂性能的影响。最后，利用自由基猝灭实验、电子顺磁共振和高分辨质谱等方法研究了活化机理。
该成果以“Activation of O2 over three-dimensional manganese oxide nanoprisms under ambient conditions towards oxidative removal of aqueous organics”为题，发表于 Environmental Science:Nano。
研究亮点
亮点1: 本研究首次采用双金属掺杂的方法合成了具有纳米晶结构的三维纳米棱柱。
亮点 2：本文所制备的催化剂在常温条件下表现出了优异的催化能力，可以利用空气中的 O2 氧化并降解水中的 BPA，同时对于其他污染物也有优异的降解效果。
论文信息
Activation of O2 over three-dimensional manganese oxide nanoprisms under ambient conditions towards oxidative removal of aqueous organics
Zixuan Hao, Xiuru Bi, Xiaopei Wang, Xiang Liu* (刘湘，三峡大学) and Xu Meng* (孟旭， 中科院兰州化物所)
Environ. Sci.: Nano, 2022
http://doi.org/10.1039/D2EN00054G
三峡大学作者介绍
刘湘，本文通讯作者，湖北省“楚天学子”、湖北省"高等学校优秀中青年科技创新团队"负责人。2017 年获得法国雷恩第一大学博士学位，同年受聘于三峡大学。主要研究方向有环境功能材料的可控制备及其应用。相关研究成果 Adv. Mater, Nat. Commun, ACS. Catal. J. Mater. Chem. A, Chem. Eng. J., Chem. Sci., Nano Res. 等，国际主流期刊上发表 SCI 收录论文 80 多篇，ESI 高被引论文 6 篇。申请专利 40 余项。
中科院兰州物化所
孟旭，本文通讯作者，2012 年获得兰州大学博士学位，同年在瑞典斯德哥尔摩大学，联合博士培养，2013 年受聘于中科院兰州化物所，中科院青年促进会会员。致力于新型纳米催化材料设计制备，高级氧化法分质处理有机废水，CO2 捕集和利用的应用基础研究。近年来发表 SCI 论文 40 余篇，ESI 高被引论文 1 篇，授权发明专利 4 件，主持国家自然基金 1 项，江苏和苏州市自然科学基金项目 2 项，中科院兰化所协同创新基金项目 1 项。
三峡大学
本文第一作者，现于三峡大学材料科学与工程专业攻读硕士学位，师从刘湘副教授。主要研究方向为有机污染物的降解。
