近日，我校化学与化工学院张树鹏教授团队2021级本科生沈蓥和2021级硕士研究生邱帆作为共同第一作者在期刊《Environmental Science：Nano》发表了题为“Degradation of organic pollutants using a ternary heterojunction catalyst (CoS2/CoCo2O4-MnFe2O4) for activated peroxymonosulfate with magnetic separation, anti-ion interference, and low ion leaching”的学术论文，指导教师及论文第一通讯作者为张树鹏教授。
设计一种能满足低离子浸出、可磁分离、抗离子干扰和高效活化等关键要求的纳米材料催化剂以有效降解有毒有机化合物已被证明具有挑战性。CoCo2O4在电池电极、电容器和电催化领域具有广泛的应用，它具有良好的导电性和电化学活性，可以促进电子转移活化过硫酸盐产生活性氧化物种（ROS）。据报道，硫化钴（CoS2）的电子迁移率高于钴基氧化物。然而，金属催化剂通常表现出明显的聚集和离子浸出问题，这将导致二次污染。此外，CoS2是非磁性的，难以回收，需要大量的PMS，导致成本高。因此，有必要开发一种催化性能强、二次污染少、可回收利用、能在短时间内快速去除污染物的钴基催化剂。
尖晶石型锰铁氧化物（MnFe2O4）因其低金属离子浸出率、高催化活性、良好的磁性能以及与锰氧化物沉积物相关的丰富稀土元素而被用作PMS活化的过渡金属催化剂。基于此，本文成功通过水热法合成了一种由硫化钴（CoS2）、氧化钴（CoCo2O4）和铁酸锰（MnFe2O4）组成的三相异质催化剂。Co（III）与硫离子（S2-）和Co（II）之间的相互作用可建立多个氧化还原循环，促进各种ROS的产生以去除有机污染物并加速Co（II）和PMS之间的电子转移。在100 mg/L催化剂和1 mM PMS的初始条件下，该催化剂用于活化过一硫酸盐(PMS)，产生了、1O2和O2−等活性氧化种实现了对盐酸四环素(TC)的高效降解，60分钟内去除率达84.8%。此外，合成的CoS2/CoCo2O4-MnFe2O4复合材料具有优异的抗干扰性，在10 mM无机离子（Cl-, NO3-, and H2PO4-）存在的情况下，催化效果几乎不受影响，保持在73%以上。同时，MnFe2O4的稳定负载可以缓解催化剂的聚集，而异质结的形成可以进一步减少剧毒Co金属离子的浸出。所设计的三元复合催化剂不仅有效地减少了有毒离子的使用，还抑制了有毒离子的泄漏，并具有高效的磁分离活性，因此在实际水体中的应用前景十分广阔。
CoS2/CoCo2O4-MnFe2O4三相异质催化剂结构表征
此外，CoS2/CoCo2O4-MnFe2O4对其他有机污染物也表现出良好的降解效果，具有较高的去除率，具有广泛的适用性[左氧氟沙星（LFX）：91.8%；甲硝唑(MNZ)：61.6%；罗丹明(RhB)：100%；结晶紫(CV)：100%]。本文进一步探究了不同催化剂用量、PMS浓度、污染物浓度对四环素去除率的影响并确定了最佳条件（100 mg/L催化剂，1 mM PMS，10mg/L TC）。
通过自由基淬灭实验确定了反应过程中主要的活性种为、1O2和O2−，并结合反应前后催化剂材料的XPS谱图分析得出了可能的反应机理：铁（Fe）、钴（Co）、锰（Mn）、硫（S）和氧（O）等元素共同参与了PMS活化反应，其中铁（Fe）、钴（Co）和锰（Mn）等金属元素的存在提供了大量的活性位点，加快了电子转移的速度，而S22-的存在加快了氧化还原反应的循环进行。
使用不同自由基淬灭剂对四环素去除率影响图
为了更好地研究四环素的降解过程，在CoS2/CoCo2O4-MnFe2O4体系中利用了HPLC-MS/MS液质联用技术，通过分析降解过程中的中间产物，制定了四种可能的降解途径。
优秀的科研成果离不开学生的努力和老师的悉心指导。沈蓥同学自大二开始就跟随张树鹏教授参与科研工作，在老师和实验室师姐的耐心指导下，她从懵懂无知的“科研小白”逐步成长，学会了如何查阅科研文献，如何使用科研软件进行数据分析和作图，学习并掌握了实验室设备的原理和操作并能独立进行实验。沈蓥同学将自己的课余生活全部投入科研中，充分利用课余及寒暑假时间积极开展实验研究，与师姐保持密切交流并定期向老师汇报实验进展。张树鹏教授课题组注重培养学生的科研思维，鼓励学生多进行尝试，为本科生开展科研训练提供了良好的科研实验场所以及充足的经费支持。
本研究得到国家级大学生创新创业训练计划(202310288025)的资助。
