ACB | 南京农大在杂原子掺杂改性强化生物质炭催化活性研究取得新进展

农业生产每年产生大量富含碳元素的秸秆类生物质废弃物。与此同时，农药及化学肥料的过度施用导致农业面源污染严重。如何基于“以废治废”理念，将农业生物质废弃物资源化利用以解决农业污染问题，是一项极具前景但又富有挑战性的课题。

南京农业大学资环学院丁大虎副教授在前期制备获得的水稻秸秆生物质炭（Liu etal., 2019, Appl. Catal. B: Environ., 254, 312-320）基础之上，对其进行杂原子掺杂改性，重点探究了氮掺杂、硫掺杂、氮硫共掺杂对生物质炭催化活性的影响。

研究结果表明，对于未改性生物质炭，其表面羰基（-C=O）是主要的活性位点，而杂原子掺杂改性会削弱这一作用。进一步通过农药异丙甲草胺的催化氧化降解实验表明，氮掺杂改性可以提高生物质炭催化活性而硫掺杂及氮硫共掺杂在一定程度上抑制了其催化活性。通过DFT理论计算证明，掺杂进入碳结构的氮元素可以强化其相邻碳原子的正电性，从而促进其与过硫酸氢跟离子的界面反应。相反的，硫原子会破坏共价碳原子的电荷平衡，从而影响生物质炭表面电荷再分配。该研究为进一步拓宽生物质炭基催化剂在水处理中的应用提供了重要的理论依据。 

图1 未改性生物质炭比表面积与吸附参数之间的相关性分析

通过对未改性生物质炭材料的比表面积和吸附量进行相关性分析，结果表明最大吸附量与比表面积之间不能够建立良好的线性相关，说明吸附过程并非依赖于比表面积。而对比表面积和催化降解速率常数进行相关性分析，结果表明催化氧化降解速率常数与比表面积呈现良好的线性相关，说明比表面积对于催化氧化过程至关重要。

图2 改性生物质炭催化氧化降解速率常数与吸附参数之间的相关性分析

对于杂原子掺杂改性后的生物质炭催化剂，我们发现催化氧化降解速率常数与吸附反应参数间存在良好的线性相关性，说明吸附过程对于催化氧化过程至关重要。

图3 改性生物质炭表面电子结构DFT模拟计算

通过DFT理论计算分析了BC、NBC及SBC表面电子结构特性，结果表明，N元素主要以石墨化态N掺杂进入炭层结构，强化了其周边C原子的正电性，从而促进了过硫酸氢跟离子的吸附过程。

上述研究成果以Nitrogen-doping positively whilst sulfur-doping negatively affect tthe catalytic activity of biochar for the degradation oforganic contaminant 为题发表于环境催化领域权威期刊Applied Catalysis B: Environmental（IF：14.229）。南京农业大学资环学院丁大虎副教授为第一及通讯作者，蔡天明教授为共同通讯作者，南京农业大学为第一单位及唯一通讯单位。西安建筑科技大学环境与市政工程学院杨生炯副教授及上海市环科院钱晓雍高级工程师共同参与了部分研究工作。研究工作得到了国家自然科学基金项目支持。

全文链接：

https://www./science/article/pii/S092633731931094X

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