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控制合成单原子修饰3DMXenes/FeOx多级中空微球光类芬顿去除PPCPs的研究

批准号:
52100173
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
王安祺
依托单位:
学科分类:
环境污染治理与修复
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
王安祺

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
PPCPs涵盖了众多结构复杂、差异性大的污染物,其来源与人类的日常生活密切相关,具有不可或缺性。目前应用于城市污水处理系统中的常规处理工艺无法将这类污染物有效去除。近期发展起来的PMS高级氧化技术被认为是传统芬顿工艺的理想替代者,然而催化剂氧化还原循环缓慢严重制约了PMS的活化效率。我们的前期研究表明光催化耦合PMS构成的协同体系可以促进催化剂表面离子的氧化还原循环过程,但所用的体相催化剂的原子利用率不高。本项目拟研究单原子催化剂在光类芬顿体系中的应用,制备出单原子修饰的3DMXenes/FeOx多级中空微球,研究其在光照下对PMS的活化机制,探究单原子负载量和分散度以及特殊的多级中空结构对催化反应的影响,探究自由基链式反应途径以及PPCPs的降解历程,揭示单原子催化剂在光类芬顿体系中降解PPCPs的机理。研究结果为废水中PPCPs的单原子光类芬顿催化氧化去除提供了理论指导。
英文摘要
PPCPs includes a large number of pollutants with complex structure and great differences, whose sources are closely related to human daily life and indispensable. At present, the conventional treatment process used in urban sewage treatment system can not effectively remove this kind of pollutants. Recently, peroxymonosulfate (PMS)-based Advanced Oxidation Processes (AOPs) is considered to be an ideal alternative to traditional Fenton process. However, the slow redox cycle of catalyst seriously restricts the activation efficiency of PMS. Our previous study showed that the synergistic effect of photocatalysis coupled with PMS could promote the redox cycle of ions on the catalyst surface, but the bulk catalysts was incapability to fully utilize all of the metal atoms. This project intends to study the development and design of single-atom catalysts in the photo-Fenton-like system, and research the activation mechanism of PMS under light using the as-prepared single-atom modified 3D MXenes/FeOx hierarchical hollow microspheres, explore the influence of single-atom loading and dispersion, as well as the distinctive hierarchical hollow structure on the catalytic activity, study the chain reaction pathways of free radical and the degradation process of PPCPs, and illustrate the degradation mechanism of PPCPs in photo-Fenton-like system. The results provide theoretical guidance for the single-atom photo-Fenton-like catalytic oxidation of PPCPs in wastewater.
PPCPs是一类与人类密切相关的新污染物,具有生物富集性、致癌致畸性,其在环境中被检测出的种类和浓度也有逐年增多和加重的趋势。在此背景下,开展PPCPs污染削减与环境修复技术研发正当其时,是防范新污染物环境与健康风险、加强新污染物治理体系和治理能力现代化建设的必然举措,于我国履行国际公约、保障生态环境安全与人民健康具有重要意义。本研究结合环境工程、材料科学及光-/电催化技术的多学科交叉思路,针对生活污水中广泛存在且难以降解的PPCPs类污染物,开发了新型催化材料和高效协同氧化降解体系。研究核心在于设计开发单原子和量子点修饰的3D金属氧化物多级中空微球催化剂,深入探究其在光-/电催化耦合过硫酸盐体系中的作用,揭示材料性能提升的关键机制及其对PPCPs降解的协同效应。首先,通过界面工程和缺陷工程策略,成功制备了Ag/CNQDs@Fe3O4、CNQDs/CuFe2O4/Cu0和Ti3C2 MXene QDs/W18O49多级中空微球催化剂,单原子的引入实现了高效的活性位点利用率,而量子点则凭借其独特的光电特性大幅优化了载流子的分离与传输效率。多级中空结构的合理设计进一步提升了光子利用效率、比表面积以及传质能力,从而加速了反应物与活性中心的接触,极大加快了催化反应动力学速率。进一步开发了基于金属氧化物多级中空微球(即CuFe2O4和Cu-CoO@NC)的电催化微电极材料,其独特的多级中空结构提升了电化学反应活性。通过引入电场极化效应和优化的电子传递机制,这些材料能够有效促进反应界面上活性物种的生成,从而显著增强了电催化体系的氧化降解能力。最后,研究证实了所构建催化材料及体系在对PPCPs类污染物去除中的优异性能,包括高降解效率、广谱适用性以及良好的稳定性和抗干扰能力。所研发的新技术有效克服了传统光-/电催化与芬顿工艺的局限性,为复杂水体修复提供了创新解决方案,展现出巨大的工程应用潜力。同时,本研究深化了对催化剂构效关系的理解,推动了非均相光电催化理论的发展,为未来环境污染治理技术的升级提供了重要的理论支撑和技术方向。
高稳定ZrASL@Ti4O7电活性多孔膜的精准构筑及其去除水中含氟药物机制研究
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    省市级项目
  • 资助金额:
    30.0万元
  • 批准年份:
    2024
  • 负责人:
    王安祺
  • 依托单位:
国内基金
海外基金