基于铁的催化剂负载在纤维素碳气凝胶上，能够高效激活过硫酸盐，从而实现高效降解MO（可能指某种特定物质）

《Developments in the Built Environment》：Efficient activation of persulfate by iron-based catalyst supported on cellulose carbon aerogel for high-performance degradation of MO

本研究通过多步法合成Fe?O?-纤维素碳气凝胶催化剂Fe-2-BCCA-700，用于光催化降解甲基橙（MO）。实验表明，催化剂在0.2 g/L负载量、0.6 g/L PDS浓度和pH 3条件下，80分钟内实现99.8%的MO降解（k=0.07633 min?1）。其高效源于催化剂的优异吸附性能、Fe3?/Fe2?可逆氧化还原循环及表面含氧官能团协同作用。活性物种追踪显示以·O??和1O?为主，硫酸根自由基和羟基自由基为辅。经五次循环后，MO降解效率仍达77.5%，表明催化剂稳定性和可重复利用性良好。该研究提出了一种可持续的生物质碳气凝胶制备策略，为高效、环保的有机染料去除提供了新思路。

　　

薛子然|黄文义|孔红星|张国强|李素琪|张竹伟|程浩|冯军|唐婷帆|卢瑶

中国广西壮族自治区柳州市广西科技大学生物与化学工程学院糖资源绿色加工重点实验室，545006

摘要

通过多步工艺合成了高效环保的Fe₃O₄-纤维素碳气凝胶催化剂Fe-2-BCCA-700，该工艺包括甘蔗渣的碱酸预处理、尿素-NaOH介导的交联、FeCl₃浸渍、冷冻干燥以及随后在700°C下进行的一步热解。该催化剂在可见光照射下表现出强烈的活性，能够有效降解MO（甲基橙）。在催化剂负载量为0.2 g/L、PDS浓度为0.6 g/L、初始pH值为3的条件下，80分钟内可去除99.8%的10 mg/L MO（降解速率常数k = 0.07633 min^?1）。其高效率归因于催化剂优异的吸附性能、Fe³⁺与Fe²⁺之间的可逆氧化还原循环对电子传递的促进作用，以及表面存在的含氧官能团。系统评估了多种反应参数（如PDS用量、溶液pH值、催化剂用量及常见阴离子的存在）对催化剂性能的影响。活性物种捕获实验表明，¹O₂和O₂^•-是主要活性物种，而SO₄^•-和^•OH的作用较小。此外，经过五次循环后，催化剂仍保持较高活性，MO的降解效率仍达77.5%，显示出优异的稳定性和可重复使用性。本研究提出了一种制备可磁性回收的纤维素衍生碳气凝胶的简便方法，并将Fe-2-BCCA-700作为PDS激活的潜在异相催化剂，为从水系统中去除有机染料MO提供了有效且可持续的解决方案。

引言

水资源是人类生存的宝贵资产[1]，但目前正面临前所未有的挑战。MO是一种典型的偶氮染料污染物，其分子结构中含有偶氮键（-N=N-）和苯环，具有潜在的环境风险和生物毒性[2]。由于在纺织、染色和造纸等行业中的广泛应用，MO常随未经处理的废水直接排放到环境中。在染料浓度超过阈值的地区，它可能破坏生态系统并渗入地下水系统[3]。

为去除工业废水中的污染物，人们研究了多种处理方法，包括类似芬顿的过程[4]、吸附[5]、膜分离[6]、臭氧氧化[7]、生物方法[8]和高级氧化工艺（AOPs）[10]。高级氧化工艺（AOPs）因其强大的氧化能力、广泛的适用性和较低的副产物生成量而成为处理顽固污染物的常用技术。在各种AOPs中，基于PMS和PDS的系统具有明显的优势，如强氧化潜力、宽pH耐受范围和优异的溶解性。近年来，通过PMS和PDS的活化生成SO₄^•-和^•OH成为研究热点。目前的PMS/PDS活化方法包括紫外线照射[11]、热活化[12]、超声波处理[13]和过渡金属催化[14]。然而，这些方法存在活化效率低、能耗高、操作复杂和金属浸出等问题，限制了其大规模应用。因此，开发低成本、高效且环保的PDS活化催化剂变得日益重要。

生物炭是一种在缺氧条件下通过热解生物质获得的富碳固体材料。其原料来源多样，包括农业和林业废弃物、食品加工废弃物、城市固体废弃物和动物粪便等。这些资源富含碳源和各种生物大分子，为生物炭制备提供了基础。已有大量研究表明，生物质可转化为生物炭以活化过硫酸盐，从而去除水中的有机污染物。例如，高等人[15]使用花生壳生物质制备了掺硼生物炭（BBC），并将其作为催化剂用于水溶液中氧四环素（OTC）的降解；在优化条件下，约94%的OTC在120分钟内被降解。何等人[16]通过污泥和磺化木质素的共热解制备了氮硫共掺杂生物炭（ML-SDBC），并将其作为催化剂用于磺胺嘧啶（SDZ）的降解；在最佳条件下，ML-SDBC/PMS系统在120分钟内实现了93.6%的SDZ去除率。El-Bestawy等人[17]在缺氧条件下通过热解菠菜废弃物制备了生物炭，并将其用于水介质中阿特拉津（atrazine）的降解；经过响应面法（RSM）优化后，120分钟内实现了99.8%的阿特拉津去除率。上述研究表明，生物炭能有效活化过硫酸盐以促进有机污染物的降解。然而，原始生物炭的活性中心较少，需要更多的催化剂和过硫酸盐才能实现污染物降解[18]，且反应时间较长。因此，适当修饰生物炭以提高其催化性能至关重要。其中，将过渡金属固定在生物炭表面可显著提升其催化性能[19],[20]。

本研究开发了一种可持续、成本低廉且性能优异的催化剂Fe-BCCA-700，采用环保的合成方法：首先对甘蔗渣进行碱洗、酸洗和交联处理制备水凝胶，然后进行浸渍、冷冻干燥和煅烧。这一新策略不仅将甘蔗渣转化为有价值的材料，还满足了废水净化对高效催化剂日益增长的需求。将Fe₃O₄引入碳气凝胶后，其表面产生了大量活性位点，显著增强了PDS对MO的降解能力。此外，我们还评估了该系统对环境条件的适应性和MO的降解动力学。通过将Fe₃O₄固定在甘蔗渣衍生的纤维素碳气凝胶上，本研究提出了一种可持续且环保的去除水系统中MO的方法。

材料

甘蔗渣采集自中国广西壮族自治区柳州市。氢氧化钠（NaOH）、六水合三氯化铁（FeCl₃·6H₂O）、尿素（CH₄N₂O）、过硫酸钠（Na₂S₂O₈）、叔丁醇（C₄H₁₀O）、碳酸氢钠（NaHCO₃）、氯化钠（NaCl）、硝酸钠（NaNO₃）、对苯醌（p-BQ）和L-组氨酸（L-His）购自上海麦克林生化科技有限公司；冰醋酸（CH₃COOH）和甲基橙（MO）由成都科隆公司提供

光催化剂的表征

图2显示了BCCA-700和Fe-2-BCCA-700催化剂的SEM图像，揭示了它们的形态和结构特征。BCCA-700（图2a，甘蔗渣纤维素衍生的碳气凝胶）的SEM图像显示其表面具有皱褶的纹理和相互连接的纤维团块，这与生物质衍生碳材料的固有结构特征一致。Fe-2-BCCA-700的SEM图像（图2b-c）表明金属颗粒均匀地固定在碳气凝胶上

结论

在本研究中，通过浸渍-热解方法合成了基于纤维素衍生的碳气凝胶的新型铁基催化剂Fe-2-BCCA-700，并将其用作PDS的活化剂。利用SEM、XRD、拉曼光谱和BET比表面积分析全面表征了该催化剂的物理化学性质。同时，系统评估了关键操作参数（如初始pH值和PDS用量）对MO降解效率的影响

CRediT作者贡献声明

薛子然：撰写——原始草稿、实验研究、数据整理。黄文义：撰写——审稿与编辑、监督、资源协调、方法设计、资金申请。孔红星：撰写——审稿与编辑、监督、资源协调、方法设计。张国强：实验研究、概念构思。李素琪：监督、实验研究。张竹伟：撰写——审稿与编辑、实验研究、概念构思。程浩：数据可视化、项目管理。冯军：监督

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：82260701、82460704、21968005）、广西自然科学基金（项目编号：2022GXNSFAA035490）、广西糖资源绿色加工重点实验室开放项目（项目编号：GXTZY202006）、广西重点研发计划项目（项目编号：AB23075087）和四川省区域创新合作项目（项目编号：2024YFHZ0208）的财政支持。