隨著工業化的加速和污染物排放的持續增長，有機廢水對生態系統和人類健康構成嚴峻威脅。據統計，工業廢水處理能耗占全球水處理總能耗的28%，而傳統芬頓技術因催化劑失活問題導致處理效率低下。金屬基催化劑在高級氧化過程中普遍存在瓶頸：依賴于價態循環的催化過程難以有效持續循環，電子轉移路徑受限，且傳統制備工藝依賴高溫高壓，產率僅11-15%。

針對上述挑戰，大連理工大學研究團隊通過濕化學電置換法將商業纖維素與銅離子定向復合，成功合成Cu-C納米催化劑。開發出具有雙通道催化機制（自由基路徑+直接電子轉移）及寬pH適應性的新型降解體系：該材料在5分鐘內降解65%四環素（商業材料＜5%），銅離子泄漏量＜1.25 mg/L（低于國標2.0 mg/L），填充床反應器（PTR）實現20秒停留時間內＞99%污染物去除。這類材料能通過直接電子轉移路徑維持催化活性，破解了傳統催化劑環境適應性差的難題。該研究以題為“Robust dual-channel catalytic degradation relying on organic pollutants via Cu-C composites with directional electron harvest and classical radical species generation”的論文發表在《Chemical Engineering Journal》上。
 

01 Cu-C納米催化劑的形成
在商業纖維素載體的基礎上，團隊引入銅離子，通過濕化學電置換法原位構建了具有雙通道催化活性的Cu-C納米復合材料。該材料在不同環境條件下展現出獨特的電子轉移效應，通過圖1C的掃描電鏡（國儀量子SEM5000）表征，研究團隊揭示了Cu-C的微觀結構演變：原始纖維素呈現無序網絡，復合后形成10nm銅球聚集體（圖1C），最終自組裝為100nm分級球體。這種結構在反應中維持高分散性，為電子傳遞提供通道。同時SEM-EDS也證實了各類元素在催化劑中的均勻分布。FTIR光譜顯示，在引入Cu物種后，Cu₂O峰出現在682.31 cm^-1處，這可能是由于制備過程中發生的氧化還原反應（圖1D）。C=C在1638.78 cm^-1處，C=O在1735.80 cm^-1處和C–H在2899.11 cm^-1處的存在進一步證實了這一點，同時在3200–3600 cm^-1處觀察到一個非常明顯的–OH峰。XPS分析表明，銅官能化后，Cu 2p峰主要歸因于Cu₂（OH）₂CO₃和Cu₂O，而C 1s峰顯示存在C=C和C-C鍵，這與FTIR的發現一致。

圖1.催化劑的制備及表征
 

03 雙通道催化路徑研究
雙通道催化如何突破效率極限？主要以直接電子轉移路徑和自由基路徑分別大概占比45%和55%共同促進催化循環，實現污染物的高效降解。雙通道證實：叔丁醇猝滅降解率和EPR捕獲強SO???/?OH信號以及XPS顯示Cu(II)結合能↓1.01eV（表明銅物種周圍電子密度增加），電化學檢測45μA電流（污染物→催化劑電子流）。不同污染物的給電子能力與催化性能呈現一定的正相關，也副證了直接電子轉移路徑。
 

圖3. 具有雙通道催化機制的活化機理分析

04 修復水體的中間產物毒性與水體再應用
降解中間體毒性降低+ 處理水養出健康小球藻，雙通道催化讓廢水"復活"！中間產物毒性分析（圖3A-B）：降解產物對魚類LC??毒性降低96%（vs 四環素），90%中間體的發育毒性/誘變性低于四環素（除Ip4）。小球藻培養（圖3C-I）：處理水組培養的小球藻生物量與純水組相當。其次使用處理后的水培養的睡蓮，其株高顯著優于在未處理的含四環素廢水中培養的睡蓮。

05 催化的適應性與大規模制備
本研究在超快速制備催化劑和快速降解有機污染物的基礎上，深入研究了Cu-C粉末材料和CuC@FC填料塔反應器（PTR）的實用性。對初始濃度為1 mg L-1的水樣進行了TC（富電子）、甲基紅（染料）和氯苯（缺電子）的連續去除試驗。大約13升水通過CuC@FCPTR，TC和甲基紅的去除率均保持在99%以上，而氯苯的去除率明顯更低。這表明CuC@FCPTR系統在去除水樣中的富電子污染物和染料方面非常有效。 此外，將Cu-C的合成溫度和持續時間與文獻中報道的傳統技術進行了比較。Cu-C材料的表現出明顯更低的溫度和更短的制備時間。這清楚地表明了通過自動化設備大規模生產低能耗高質量銅基材料的可行性，使其適用于工業應用。
 

圖5.催化的適應性與大規模制備

這項工作實現了有機污染物降解在高效性與可持續性的雙向突破。雙通道催化機制（自由基路徑 + 直接電子轉移）可協同調控，進而產生與污染物電子特性相匹配的降解通路，以適應不同水質條件。該設計為工業廢水處理的低能耗、高兼容性、資源化回用開辟了新范式。

如您有采購需求
歡迎聯系我們！