新疆理化所张亚刚团队：揭示纳米铁基/石墨烯基类芬顿催化剂的催化机理

【成果简介】

石墨烯材料具有独特的物理和化学性质，在能源、催化和环境等领域有广阔的应用前景。近年来，铁基磁性纳米粒子因其价格低廉、可磁性分离、催化活性好等优点而被用于设计和制备非均相类Fenton催化剂。经典的芬顿 Fenton (Fe²⁺/H₂O₂) 反应可以产生高活性的羟基自由（•OH），然而它在降解有机污染物的应用中，由于催化剂很难进行回收再利用以及反应后产生大量的铁污泥需要进一步处理等问题而受到一定限制。

近日，中国科学院新疆理化技术研究所资源化学研究室研究员张亚刚带领其团队将Fe⁰和Fe₃O₄ 在纳米尺度同时均匀地负载到了还原氧化石墨烯（RGO）上，得到了可磁性分离、催化活性高，可多次重复利用的纳米催化剂（Fe⁰/Fe₃O₄-RGO），并将其作为非均相类Fenton催化剂用于降解水相中苯酚污染物。相关内容以题为“Unveiling the mechanism of electron transfer facilitated regeneration of active Fe²⁺ by nano-dispersed iron/graphene catalyst for phenol removal”发表在了Royal Society of Chemistry上。

【图文导读】

图1 纳米分散 Fe⁰/Fe₃O₄-RGO的合成示意图

首先，通过超声波分散将预合成的氧化石墨转变成剥离的氧化石墨烯片。 然后，通过溶剂热法制备RGO复合材料上的纳米分散Fe₃O₄，然后还原成RGO。

图2 各催化剂的TEM图像

（a、b） Fe₃O₄-RGO的TEM图像

（d、e） Fe⁰/Fe₃O₄-RGO的 TEM图像

（c、f） Fe₃O₄-RGO的HRTEM图像

【研究内容】

在前期的研究工作中，张亚刚团队通过探究氧化石墨烯的还原过程，并将其进行磁功能化，制备了不同还原程度的磁性还原氧化石墨烯材料，用于污染物双酚A的吸附，并揭示了氧化石墨烯的还原程度对双酚A的吸附动力学和吸附容量的影响。

在此基础上，为了能在催化过程中实现催化剂可多次重复利用，科研人员以石墨烯为载体，在纳米尺度下将Fe⁰和Fe₃O₄ 均匀负载到石墨烯上，制备了纳米铁基/石墨烯类芬顿催化剂（Fe⁰/Fe₃O₄-RGO），将其用于催化降解水中苯酚污染物。实验结果表明，所制备的纳米催化剂 Fe⁰/Fe₃O₄-RGO 具有优异的催化活性，30分钟即可将苯酚100%降解，催化剂具有优异稳定性，并且可以多次重复利用，五次催化循环后其对苯酚的去除效率依然可以达到93%。此外，催化剂也可简单快速地进行磁分离。

科研人员还揭示了纳米铁基/石墨烯类芬顿催化剂（Fe⁰/Fe₃O₄-RGO）独特的催化机理。该催化机理以Fe⁰/Fe₃O₄/RGO 协同作用使≡Fe²⁺ 再生恢复为核心。Fe⁰纳米颗粒和Fe₃O₄ 纳米颗粒在纳米尺度被均匀地分散在RGO上，使更多的活性位点暴露于载体的表面。而RGO作为电子转移介质可以有效促进电子由Fe⁰ 转移给F_e3O₄ 使得≡Fe²⁺得到再生。苯酚分子与RGO之间的π-π作用使得苯酚分子可以有效地吸附在催化剂表面，增加了苯酚分子与•OH接触的几率。基于这些因素，使得Fe⁰/Fe₃O₄-RGO 具有优异的类Fenton催化活性。

相关研究成果已申报中国发明专利，并于近期发表在RSC Advances上。这种可磁分离、高催化活性、可多次重复利用的纳米催化剂的设计，为采用类芬顿反应氧化降解有机污染物催化剂的设计提供了一种新的设计思路。

该研究工作得到国家自然科学基金、“千人计划”、新疆青年科技创新人才-杰出青年科学基金等项目的支持。

原文链接：http://www.cas.cn/syky/201705/t20170525_4602936.shtml.

文献链接： Unveiling the mechanism of electron transfer facilitated regeneration of active Fe²⁺ by nano-dispersed iron/graphene catalyst for phenol removal（RCS Adv,2017,DOI:10.1039/C7RA04312K）

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