非均相臭氧催化氧化（HCO）技术用于水处理 | 科学通报

非均相臭氧催化氧化（heterogeneous catalytic ozonation，HCO）技术在难降解有机物去除和提高废水可生化性方面应用广泛。通过晶面工程（facet engineering）改变金属氧化物暴露晶面，提高金属氧化物的HCO能力是近年来研究的热点，但在实际应用中仍面临诸多挑战。

近日，浙江工业大学环境学院宋爽教授团队在《科学通报》发表了题为“催化臭氧净水过程中催化材料晶面的作用”的评述文章。文章系统综述了晶面调控HCO催化材料的合成方法与控制机理、强化HCO过程的增强机理及其在水处理中的应用，并针对晶面调控HCO催化材料现有研究的不足和实际应用所面临的挑战进行了展望。文章的第一作者为浙江工业大学环境学院校聘副研究员汪达，合作作者包括哈尔滨工业大学环境学院马军院士、中国矿业大学环境与测绘学院王立章教授、浙江工业大学环境学院本科生杨喆等。

1 HCO催化材料的晶面

1.1

自下而上法

自下而上法指的是将原子、分子等一些较小的前驱体结构单元通过相互作用组装生长成更复杂的结构体系，最终获得目标材料。在自下而上法中，晶面暴露的调控主要通过改变晶体生长的环境条件实现，常见的晶面调控自下而上法有溶剂调节法、晶面吸附法和超临界氧化法。

1.2

自上而下法

自 上而下法是指将较大尺寸的原材料通过剥离或蚀刻技术使需要的纳米结构暴露。 在自上而下法中，晶面暴露的调控主要通过移除原材料中不需要的组分实现，常见的晶面调控自上而下法有热分解法和煅烧法。

2 晶面催化O3的增强机理

基于上述材料制备原理和晶面调控方法，研 究人员制备了形貌晶面可控的催化材料应用于 HCO 催化。 不同暴露晶面的金属氧化物，尤其是高能晶面暴露的材料因物理化学性质不同，对 HCO 催化效果和活性产生较大影响。 暴露晶面强化 HCO 催化效果的机理主要展现在吸附、自由基生成和电子传递三方面。

2.1

强化表面吸附

晶面暴露HCO催化材料的表面吸附强化与吸附活性位点有关。在反应过程中， O3 、水和有机物通过竞争分别与表面吸附位点结合，促进活性氧物种生成和污染物的降解。

2.2

强化自由基产生速率

O3在酸性溶液中稳定，在碱性溶液中易分解。同理，由于水相O3的亲电特性，表面碱度较高的暴露晶面可提高 O3 的分解和自由基产生速率。

R300-Ce O2 催化臭氧化反应机理

2.3

强化电子转移

O3 分解和污染物降解过程中均存在多步电子转移过程，暴露晶面可通过强化电子转移加速HCO过程。

3 晶面调控催化材料在HCO中的应用

就降解水中污染物而言，不同暴露面展现出不同的表面活性点位、氧空位数量及表面碱度。通过调控特定暴露面比例展现出较多表面活性位点及氧空位，表面高碱度可提升表面吸附能力以及促进O3分解。在氧化难降解有机物方面，晶面调控的HCO催化材料可使O3有效分解成氧化能力更强的活性氧物种，实现难降解有机物的深度降解并通过控制O3投量改变污染物的氧化程度，进而调控氧化中间产物的种类和生物毒性。在杀菌性能方面，主要利用特定暴露面在反应过程中产生大量自由基攻击细菌以破坏其生理结构，达到致死目的。此外，特定晶面具有抑制O3氧化BrO3−形成的能力。晶面调控催化材料在HCO与其他高级氧化技术联用中也展现出较大应用潜力，但目前有关晶面调控材料在HCO过程中的实际应用仍存在一定局限。

晶面调控对HCO的影响及应用

4 结论与展望

现今，以稳定晶面暴露催化材料为主的HCO技术已被广泛应用于水处理领域，然而目前该领域在科学探究的深度和实际应用的广度上仍面临一定问题。此外，晶面调控HCO催化材料的界面催化机理仍有待深入探究。基于以上问题，提出以下未来研究方向与重点。

（1）开发绿色合成路线：减小合成过程中有机试剂使用带来的活性干扰及效能削减。

（2）扩展催化剂种类设计研究范围：将晶面调控HCO催化剂的种类从单一金属氧化物拓展至其他种类材料。

（3）完善晶面调控设计理论基础：未来设计应以O3化学特性和污染物化学结构特征为基础，从反应界面原子结构和表面电子结构协同机制角度出发设计可控晶面，并完善晶面调控的理论基础。

（4）深入探究界面催化机理：可通过构建系列特殊暴露晶面的HCO催化剂作为模型，使用原位表征和单分子界面结构表征等技术对O3、水分子和污染物在界面上的吸附活化行为进行解析，并以现代仿真模拟和理论计算作为辅助，进一步提高晶面调控HCO催化机理的认识水平。

总之，精确合成、高级表征和理论模拟的交叉研究有助于深入探究晶面调控与HCO催化性能机制间的内在联系，而绿色合成和成本控制则有助于拓宽实际应用中晶面调控HCO催化材料的种类和应用范围。

原文信息

汪达, 杨喆, 卢晓辉, 王立章, 宋爽, 马军. 催化臭氧净水过程中催化材料晶面的作用. 科学通报, 2022, 67(31): 3679–3694, https://doi.org/10.1360/TB-2022-0231

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