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北工大顶刊:首次开发出一种高效单原子催化剂降解有机药物!

来源:材料科学与工程微信公众号|

发表时间:2021-10-19

点击:4128

随着药物科学研究领域的不断发展,人类对各类疾病的抵抗能力得到了极大的提升。然而,在药物研发过程中,废水中的药物残存物往往会引起严重的环境污染问题,这对人们的日常生活产生了极其恶劣的影响。在众多药物之中,环丙沙星和布洛芬作为两种最为常见的抗生素药物,常常残存在于地表水和地下水之中,如何去除上述污染物一直是科学界的重要研究课题。在众多降解有机药物的方法之中,高级氧化法(Advanced Oxidation process, AOPs)是一种目前被广泛应用且具有普适性的水体保护方法之一。然而,由于AOPs中存在纳米粒子聚集、活性较差等问题,其使用寿命也往往较低。如何开发高效、稳定且低成本的AOPs催化剂,是目前急需突破的有机药物污染物降解关键性课题之一。


基于前期研究基础,北京工业大学材料与制造学部隋曼龄教授、卢岳副教授,在国际知名期刊《Applied Catalysis B: Environmental》(IF:19.503)上发表了一篇题为“Single Metal Atom Oxide Anchored Fe3O4-ED-rGO for HighlyEfficient Photodecomposition of Antibiotic Residues under Visible LightIllumination”的文章。该文章首次开发出了一种石墨烯复合的Fe3O4基W、V双单原子氧化物催化剂(SMAO-MrGO-ED)。该催化剂能够高效降解环丙沙星和布洛芬污染物,对这两种污染物的降解效率分别为98.43%和98.12%。同时在5次循环反应后其催化性能没有发生显著地下降。


文章链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0926337321008651



利用球差矫正透射电子显微镜(Cs-TEM)和X射线吸收谱(XAFS)测试表明,此催化剂中W和V元素以单原子金属氧化物形式锚定在Fe3O4基体表面,其中W元素占据了Fe3O4的中Fe2+的位置。瞬态光电流响应(TPR)和紫外可见吸光光谱(UV-vis)测试结果表明,W和V元素的锚定极大提升了催化剂的电子空穴分离能力并改善了催化剂的禁带宽度。电子自旋共振(ESR)测试结果表明该催化剂在进行光催化反应时产生的大量O2•−是该催化剂能够高效降解环丙沙星和布洛芬的直接原因。与近几年光催化有机药物的相关报道相比较,本工作开发出的Fe3O4基W、V双单原子氧化物光催化剂拥有对环丙沙星和布洛芬的最高降解效率。该工作为高效降解有机药物污染物催化剂的开发提供了新的思路。


此工作的第一作者为隋曼龄教授课题组的印度籍博士后Karuppaiah Selvakumar和在读博士王越帅,通讯作者为北京工业大学材料与制造学部固体微结构与性能研究所隋曼龄教授、卢岳副教授以及印度Kalasalingam研究教育学院的Meenakshisundaram Swaminathan教授。



图1:SMAO-MrGO-ED催化剂的SEM、HAADF-STEM以及EDS图像。



图2:W元素单原子氧化物的锚定位点以及原子模型



图3:催化剂中W和V元素的XAFS测试结果。该结果表明,W和V以单原子氧化物形式存在于样品表面



图4:SMAO对环丙沙星和布洛芬的降解效率。其中反应环境为pH 7时讲解效率最高,且在5次循环使用后未发现明显性能衰减



图5:该催化剂的反应原理图。


封面图来源图虫创意

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