武汉轻工大学费会在《RSC Advances》发表高性能PMS活化剂及相应反应机制研究成果

作为低成本且高性能的催化剂，尖晶石型氧化钴（Co₃O₄）具有两种不同的催化活性位点（Co²⁺ 和Co³⁺），并通过 Co²⁺/Co³⁺ 氧化还原循环来驱动过一硫酸盐（PMS）的活化。调节四氧化三钴表面的Co²⁺/Co³⁺原子比，以构建Co²⁺/Co³⁺ 氧化还原循环中的协同作用，可能是进一步提升四氧化三钴催化剂活化过一硫酸盐性能的有效途径。在此，我们提出了一种金属掺杂策略，通过惰性镁离子（Mg²⁺）替代部分四氧化三钴（Co₃O₄）中的二价钴离子（Co²⁺），来调节四氧化三钴中Co²⁺/Co³⁺ 的原子比，并制备了一系列镁掺杂的四氧化三钴（MCO）催化剂。结构表征和实验研究证明，镁掺杂并未改变四氧化三钴的晶格结构和颗粒形态，但能够调节四氧化三钴表面的 Co²⁺/Co³⁺ 原子比，从而提高过一硫酸盐（PMS）的活化效果。最佳 MCO 催化剂（MCO-0.2），具有适宜 Co²⁺/Co³⁺ 原子比（1.13），通过 PMS 活化表现出卓越的噻虫啉（THIA）降解性能，其表观降解速率常数（0.2835 min⁻¹）远高于纯四氧化三钴（0.09555 min⁻¹）和其他类似的钴基催化剂。最佳的噻虫啉降解条件可能是：催化剂剂量 100 mg/L，PMS 浓度 0.8 mM/L，pH 值 7 和噻虫啉浓度 20 mg/L。淬灭实验和电子顺磁共振（EPR）表征表明，在 MCO-0.2/PMS 过程中，硫酸根自由基(•SO₄^－) 、羟基自由基(•HO) 和单线态氧（¹O₂）等活性氧物种均参与了噻虫啉的降解。此外，通过结合动力学模型和一系列基于探针化合物的实验，计算了这些活性物质的稳态浓度及其对噻唑蓝（THIA）降解的相对贡献。结果表明，在 MCO-0.2/PMS 过程中，•SO₄^－ 和•HO 的稳态浓度低于¹O₂，但它们在噻唑蓝的去除中占主导地位。本研究为高效 PMS 活化剂的构建提供了新的见解，并对PMS 活化降解污染物的反应机制有了更深入的理解。

相关研究成果近日以“Efficient peroxymonosulfate activation by magnesium-doped Co₃O₄ for thiacloprid degradation: regulation of Co²⁺/Co³⁺ ratios and degradation mechanism”为题发表在《RSC Advances》上。武汉轻工大学费会为本文的第一作者和通讯作者。文章链接：https://doi.org/10.1039/D5RA04080A