鈷基材料和碳基材料組成的異質結是一種高效的催化劑，可用于過一硫酸鹽(PMS)的活化，產生活性氧，以去除環境污染物。然而，碳材料在促進異質結體系中的作用尚不明晰。本研究通過鈷MOF熱解合成了一種包覆Co
3O
4的石墨烯片異質結材料(GCO-500)，并將其應用于活化PMS去除洛美沙星。結果顯示：去除率高達93.59%，降解率
k1 = 0.0156 min
-1。Co
3O
4簇被封裝在超薄石墨烯片(<2 nm)內。DFT計算表明，石墨烯層提高了Co
3O
4的電子轉移能力，增加了Co
3O
4的
d-帶中心(-1.61 eV)，促進了PMS在GCO-500 (-1.32 eV)上的吸附。同時，有機污染物富集在具有高吸附能(-13.08 eV)的石墨烯層中，大大提高了藥物的降解效率。本研究為PMS的活化提供了一種有效的催化劑，并在電子水平上闡明了鈷基和碳異質結催化劑在PMS活化中的基本認識。
圖1. 不同樣品的形貌:(a) Co-MOF-74的SEM圖像;(b) GCO-500的SEM圖像;(c-d) GCO-500的TEM圖像;(e-f) GCO-500的高分辨率TEM圖像;(g) GCO-500的TEM圖像和EDS元素圖。
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圖2. 原始GCO-500和Co-MOF-74的XPS光譜:(a)測量光譜;(b) Co 2p， (c) C 1s和(d) O 1s的高分辨光譜。
圖3. (a)不同反應體系下LOM在15 min內的降解效率;(b)清除劑淬火效果試驗;(c)羥基自由基和硫酸鹽自由基表征的ESR譜;(d)通過PMS活化降解LOM的GCO-500的可重用性。
圖4. (a) GCO-500和Co
3O
4的理論優化模型、TDOS和相關PDOS;(b)GCO-500和Co
3O
4中Co原子d軌道的計算PDOS曲線及對應的d帶中心;(c)電荷校正后GCO-500和Co
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4的VB-XPS光譜;(d)開路電位奈奎斯特圖;(e-g) PMS在Co
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4、石墨烯和GCO-500上的最佳吸附模型;(h-j)分別為LOM在Co
3O
4、石墨烯和GCO- 500上的最佳吸附模型。淺藍色代表鈷原子，紅色代表氧原子，灰色代表碳原子，深藍色代表氮原子，青色代表氯原子，白色代表氫原子。
圖5. (a)LOM的化學結構;(b) LOM的 HOMO;(c) LOM的NPA電荷分布和福井指數(
f-1);(d) GCO-500活化PMS體系中LOM的降解途徑;(e)轉化產物的色譜圖和質譜。
相關研究成果由復旦大學環境科學與工程系、北京大學環境科學與工程學院水沙科學教育部重點實驗室Taobo Huang和中國地質環境監測研究所Rui An等人于2024年發表在Science of the Total Environment (https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2024.171872 )上。原文：Encapsulate Co
3O
4 within ultrathin graphene sheets to enhance peroxymonosulfate activation by tuning surface electronic structures
轉自《石墨烯研究》公眾號
