苯系物(BTEX)是石油化工、油漆涂料等行业废水中常见的、具有较高水溶性和毒性的有机污染物。基于过硫酸盐的高级氧化技术,通过活化过一硫酸盐(PMS)产生硫酸根自由基(SO₄·⁻)和羟基自由基(·OH),是降解这类污染物的有效手段。寻找高效、稳定、廉价的催化剂来活化PMS,是这一领域的研究核心。铁基非晶合金,又称金属玻璃,是铁(Fe)与类金属元素(如Si、B、P)通过急冷凝固形成的一种长程无序、短程有序的亚稳态材料。其独特的非晶结构赋予了它极高的机械强度、优异的耐腐蚀性,以及大量的配位不饱和位点,这些位点均展现出比其晶态对应物高得多的催化活性。本研究首次系统地比较了多种铁基非晶合金薄带催化PMS降解BTEX的性能。
实验合成了Fe₇₈Si₉B₁₃、Fe₈₀P₁₃C₇等几种典型的铁基非晶合金薄带。将其直接作为催化剂,加入含有PMS和BTEX混合物的溶液中。实验结果显示,非晶合金对BTEX的降解速率常数比对应组分的晶态合金高出2-5倍,也远高于商品纳米零价铁粉末。其中,Fe₈₀P₁₃C₇展现了最高的催化活性,在15分钟内可将初始浓度各为20mg/L的苯、甲苯、二甲苯完全去除。五次循环使用后,其催化效率仅下降不到10%,且反应后薄带仍然保持原有的银亮光泽和非晶态特征,显示出极佳的化学稳定性和可重复使用性。
通过系统的XPS和XAFS表征并结合DFT计算,揭示了其高催化活性的构效关系根源。非晶合金内部原子排列的长程无序性和化学不均匀性,导致了其表面存在大量具有独特低配位电子结构的铁原子团簇,这些团簇位点是PMS吸附和活化的高效“活性中心”。此外,合金中掺杂的类金属元素(特别是P)能够调节近邻铁原子的电子云密度,使其更易于向PMS转移电子,从而降低了O-O键均裂的能垒。该研究为开发新一代高效、耐用、可回收的非均相高级氧化催化剂指明了方向,即利用非晶态的独特原子结构来创造催化活性位点。
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