科研成果

近日，山西大学与清华大学合作在Environmental Science & Technology上发表了题为“Quantification of the contribution of heterogeneous surface Processes to pollutant abatement during heterogeneous catalytic ozonation”的研究论文（DOI: 10.1021/acs.est.4c06804）。山西大学郭杨副教授为第一作者，清华大学王玉珏教授为通讯作者。

催化臭氧是一种去除水中新污染物的有效技术。催化剂吸附、表面活性氧物种（ROSad）反应等异相表面过程对污染物降解起重要作用。然而，表面过程的作用机制尚不明确，使用传统淬灭法来分析表面ROSad的去除贡献存在明显缺陷，严重制约了高效催化剂的设计和水处理过程的优化。

本研究尝试将传统臭氧技术研究中的探针法引入催化臭氧领域，针对溶液中O3、羟基自由基（•OH）、超氧自由基（O2•−）和单线态氧（1O2）的均相反应开发了基于探针化合物的化学动力学模型。综合运用量化计算、实验分析和模型模拟的方法，对还原氧化石墨烯（rGO）催化臭氧系统中表面过程的反应机制展开系统研究。结果表明，该模型可以合理地模拟rGO催化臭氧去除布洛芬（IBU）、四氯乙烯（C2Cl4）和对氯苯甲酸（pCBA）的情况，但模拟莠去津（ATZ）、三氯甲烷（CHCl3）和全氟辛酸（PFOA）的去除时，预测的去除率远低于实测的去除率（图1）。产生这种现象的主要原因是ATZ、CHCl3和PFOA在rGO上吸附作用较强，可以快速传质到催化剂表面被表面ROSad氧化去除。因此，与rGO亲和力较弱的污染物主要通过溶液反应降解，而表面过程的贡献可以忽略（f S < 5%）。相比之下，表面过程对与rGO亲和力较强污染物的去除起重要作用，甚至占主导地位（f S = 32−82%）。研究成果对澄清现有研究中的矛盾结论，增进催化臭氧系统反应机理的科学理解有重要意义，并为推进催化臭氧技术在水处理中的应用提供理论基础和技术支撑。

图1. rGO催化臭氧氧化体系中，溶液反应和表面过程对污染物的去除贡献。

但是，由于催化剂与水界面处存在复杂的传质和化学反应，污染物吸附到催化剂表面是污染物与表面ROSad反应的必要传质步骤，而表面ROSad对吸附污染物的氧化，又可以起到原位再生催化剂吸附点位，强化吸附传质的作用。目前无法区分催化剂吸附和表面ROSad的氧化作用，对表面ROSad的种类、浓度和反应速率常数等仍需要进一步的研究探索。

文章链接: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.4c06804