【摘 要】
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水体污染对人类健康和水生生态系统都造成了极大的威胁,是当前国际研究的热点和难点问题。多相芬顿催化技术作为一种新型高效的废水净化技术,近年来在废水处理中受到了人们的广泛关注。然而,由于多相芬顿反应需要依赖单一金属位点发生氧化还原反应来实现对H2O2的活化,导致其仍存在催化剂稳定性差,中性条件下催化活性低及H2O2过度消耗等问题。本文以水中难降解新兴有机污染物的去除为目的,针对当前芬顿反应体系的这些缺
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水体污染对人类健康和水生生态系统都造成了极大的威胁,是当前国际研究的热点和难点问题。多相芬顿催化技术作为一种新型高效的废水净化技术,近年来在废水处理中受到了人们的广泛关注。然而,由于多相芬顿反应需要依赖单一金属位点发生氧化还原反应来实现对H2O2的活化,导致其仍存在催化剂稳定性差,中性条件下催化活性低及H2O2过度消耗等问题。本文以水中难降解新兴有机污染物的去除为目的,针对当前芬顿反应体系的这些缺陷,从构建材料表面微电场和金属阳离子-π作用入手,深入研究开发新型高效稳定的铁基多相催化剂及其污染物降解机理,从而探究可行的解决方案,主要研究内容和结果如下:（1）利用有机配体络合手段,通过Fe在氮化碳（g-C3N4）基底上原位生长而制备出多相类芬顿催化剂d-g-C3N4-Fe。X射线光电子能谱（XPS）、广延X射线吸收精细结构（EXAFS）和DFT理论计算等结果证实了d-g-C3N4-Fe上铁氧化物中的Fe与g-C3N4中的吡啶N之间形成了Fe–N化学络合和Fe（III）-π作用,从而诱导了d-g-C3N4-Fe表面铁氧化物上大量富电子氧空位（OV）的产生与电子极化分布（微电场）的形成。d-g-C3N4-Fe在中性条件下对于含羟基基团的污染物或者羟基基团的污染物和疏水性污染物共存的反应体系均表现出优异的芬顿催化降解活性与稳定性。（2）傅里叶转换红外光谱（FTIR）、原位拉曼（in situ Raman）和DFT理论计算等手段揭示了d-g-C3N4-Fe催化体系中氧空位和污染物协同强化的多相类芬顿界面反应机理。含羟基基团污染物作为电子供体主要与表面Fe（III）的络合,使得H2O2主要在富电子OV反应中心定向高效还原为·OH,得以被最大限度地用于降解有机污染物。然而,疏水性污染物与d-g-C3N4外围结构的络合则会导致H2O2在铁物种和OV协同作用下快速无效分解为O2。本研究表明,Fe（III）-π作用可以实现对催化剂表面污染物的直接氧化裂解和降低H2O2的消耗,而OV在芬顿反应中的实际作用主要取决于污染物的吸附模式。（3）为了进一步强化催化剂表面的电子极化分布,创造性开发出了新型铁基催化剂Fe0-FeyCz/Fex-GZIF-8-r GO。X射线衍射（XRD）、XPS、穆斯堡尔谱（MS）、EXAFS和Raman等表征结果证实了Fe0-FeyCz/Fex-GZIF-8-r GO中Fe0-FeyCz/Fex、GZIF-8和r GO这三相结构的形成,并且彼此之间以Fe–O–C、Fe–N和C–O–Zn–N化学键桥的形式相互连接,这导致了Fe0-FeyCz/Fex-GZIF-8-r GO中强壮的金属阳离子（Fe或Zn）-π作用的产生。DFT理论计算进一步揭示了Fe0-FeyCz/Fex-GZIF-8-r GO表面强化的微电场（富电子Fe微区和缺电子r GO微区）的形成。基于这种结构特性和化学特性,在O2/Fe3+作为电子受体的情况下,Fe0-FeyCz/Fex-GZIF-8-r GO能够通过界面强有力的（Fe或Zn）-π作用来实现对有机污染物的高效矿化降解而无需额外能量的辅助,对水中各种有机污染物都表现出极佳的催化活性和稳定性。
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