新疆理化所揭示納米鐵基/石墨烯基類芬頓催化劑的催化機理

石墨烯材料具有獨特的物理和化學性質，在能源、催化和環境等領域有廣闊的應用前景。近年來，鐵基磁性納米粒子因其價格低廉、可磁性分離、催化活性好等優點而被用於設計和製備非均相類Fenton催化劑。經典的芬頓 Fenton (Fe2+/H2O2) 反應可以產生高活性的羥基自由（ OH），然而它在降解有機污染物的應用中，由於催化劑很難進行回收再利用以及反應後產生大量的鐵污泥需要進一步處理等問題而受到一定限制。

近日，中國科學院新疆理化技術研究所資源化學研究室研究員張亞剛帶領其團隊將Fe0和Fe3O4 在納米尺度同時均勻地負載到了還原氧化石墨烯（RGO）上，得到了可磁性分離、催化活性高，可多次重複利用的納米催化劑（Fe0/Fe3O4-RGO），並將其作為非均相類Fenton催化劑用於降解水相中苯酚污染物。

在前期的研究工作中，張亞剛團隊通過探究氧化石墨烯的還原過程，並將其進行磁功能化，製備了不同還原程度的磁性還原氧化石墨烯材料，用於污染物雙酚A的吸附，並揭示了氧化石墨烯的還原程度對雙酚A的吸附動力學和吸附容量的影響。

在此基礎上，為了能在催化過程中實現催化劑可多次重複利用，科研人員以石墨烯為載體，在納米尺度下將Fe0和Fe3O4 均勻負載到石墨烯上，製備了納米鐵基/石墨烯類芬頓催化劑（Fe0/Fe3O4-RGO），將其用於催化降解水中苯酚污染物。實驗結果表明，所製備的納米催化劑 Fe0/Fe3O4-RGO 具有優異的催化活性，30分鐘即可將苯酚100%降解，催化劑具有優異穩定性，並且可以多次重複利用，五次催化循環後其對苯酚的去除效率依然可以達到93%。此外，催化劑也可簡單快速地進行磁分離。

科研人員還揭示了納米鐵基/石墨烯類芬頓催化劑（Fe0/Fe3O4-RGO）獨特的催化機理。該催化機理以Fe0/Fe3O4/RGO 協同作用使≡Fe2+ 再生恢復為核心。Fe0納米顆粒和Fe3O4 納米顆粒在納米尺度被均勻地分散在RGO上，使更多的活性位點暴露於載體的表面。而RGO作為電子轉移介質可以有效促進電子由Fe0 轉移給Fe3O4 使得≡Fe2+得到再生。苯酚分子與RGO之間的π-π作用使得苯酚分子可以有效地吸附在催化劑表面，增加了苯酚分子與 OH接觸的幾率。基於這些因素，使得Fe0/Fe3O4-RGO 具有優異的類Fenton催化活性。

相關研究成果已申報中國發明專利，並於近期發表在RSC Advances上。這種可磁分離、高催化活性、可多次重複利用的納米催化劑的設計，為採用類芬頓反應氧化降解有機污染物催化劑的設計提供了一種新的設計思路。

該研究工作得到國家自然科學基金、「千人計劃」、新疆青年科技創新人才-傑出青年科學基金等項目的支持。

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