科研進展

                氮摻雜缺陷納米碳材料催化臭氧氧化的機理研究取得新進展

                文章來源:發布時間:2022-06-13打印】【關閉

                  近日,過程工程所環境技術與工程研究部謝勇冰青年研究員、曹宏斌研究員與南伊利諾伊大學葛慶峰教授合作,基于密度泛函理論(DFT)計算和機器學習等方法,系統探究與揭示了氮摻雜缺陷納米碳(N-DNCs)材料表面臭氧(O3)活化與單線態氧(1O2)的生成機制,并在此基礎上建立了催化劑表面性質與O3活化活性間的關聯。相關工作發表于Environmental Science & Technology (DOI: 10.1021/acs.est.1c08666)。

                  氮摻雜納米碳材料的制備及其性能研究是近年來碳材料研究領域的熱點之一,受到廣泛關注。難降解有機廢水的處理,是廢水治理的難點,常規工藝很難達到理想效果。催化臭氧氧化技術可以利用O3活化產生的OHO2等活性氧物種(ROS)高效去除水體中的難降解有機污染物。常見實驗方法難以直接監測催化過程中O3活化及ROS生成與演化的具體路徑,所以揭示催化臭氧氧化過程的界面反應機理頗具挑戰。

                  研究團隊前期對催化臭氧氧化過程機理進行深入調研評判(Environ. Sci. Technol., 2020, 54, 10, 5931–5946),并模擬揭示了原子摻雜石墨烯表面O3活化機理(Chem. Eng. J., 2022, 437, 135340)。在此基礎上進一步挑選了8種典型構型的N-DNCs以及10個活性位點,通過DFT計算系統探究了O3在這些活性位點上的分解過程。發現O3在所有的活性位點上均能夠分解產生表面吸附氧物種(Oads)及基態氧氣分子(3O2)。其中Oads既可以作為產生其他ROS的引發劑,又可能在部分活性位點上直接作為ROS進攻有機污染物。而在N4V2體系(雙缺陷四卟啉N體系)的N、C位點以及邊緣吡啶N位點處,除了3O2外,O3也可以被活化為1O2。N4V2體系在各N-DNCs中被預測為具有最好的催化活性。此外,基于以上結果,使用機器學習方法進一步探究了催化劑的O3活化活性與其表面的局部和全局電子性質間的關聯。結果顯示,XGBoost模型的預測效果最出色,而簡縮雙描述符(CDD)是其最重要的特征。

                  

                  圖1 O3在(a) N1V1, (b) N2V1, (c) N2V2, (d) 吡啶N3V1, (e)吡咯N3V1的吡啶N(N1)位點, (f) 吡咯N3V1的吡咯N(N2)位點, (g) 邊緣吡咯N, (h) 邊緣吡啶N, (i) N4V2的N位點和(j) N4V2的C位點上分解過程的能量折線圖和優化結構,距離單位為

                  

                  圖2 (a)EaCDD的線性關系;(b)所選描述符間的Pearson相關系數矩陣的熱圖;(c)DFT計算的Ea與基于XGBoost模型ML預測的Ea的相關性;(d)XGBoost模型結果的特征重要性分析

                  于廣飛博士為該論文的第一作者,葛慶峰教授、謝勇冰青年研究員為共同通訊作者。該工作得到了中國科學院戰略重點研究項目((XDA21021102)和釩鈦資源綜合利用國家重點實驗室(2021P4FZG04A)的支持。

                  論文鏈接:https://doi.org/10.1021/acs.est.1c08666

                  (環境技術與工程研究部)

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