Cu5Zn8/Cu2+1O@轮胎炭催化剂用于过一硫酸盐（PMS）/过二硫酸盐（PDS）的活化，该催化剂应用于水和废水中有害污染物的高级氧化处理

《Journal of Industrial and Engineering Chemistry》：Cu 5Zn 8/Cu 2+1O@tire char catalysts for peroxymonosulfate (PMS)/peroxydisulfate (PDS) activation applied in advanced oxidation of emerging pollutants in waters and wastewaters

轮胎焦炭负载铜催化剂通过活化过硫酸盐/过二硫酸盐降解抗生素，研究不同煅烧条件（500/600℃）与铜负载比（10/20/40%）对催化性能的影响。XRD和XPS分析表明，40%Cu-TC500和40%Cu-TC600分别生成Cu5Zn8和Cu2+1O主导结构，催化效率达100%，活性物种包括SO4•-、1O2及高价铜氧化物。水基质效应显示有机物存在时单线态氧更高效，且该材料为可持续轮胎管理技术提供新思路。

　　本研究探讨了轮胎炭（TC）作为碳基材料在催化降解药物污染物方面的应用潜力。通过引入不同比例的铜（Cu）并采用不同的煅烧条件，首次合成了一系列Cu负载的TC催化剂，并将其用于激活过硫酸氢（PMS）和过硫酸钠（PDS）以降解甲硝唑（MTZ）抗生素。研究结果显示，这些催化剂在特定条件下展现出高效的氧化性能，能够显著提高污染物的去除效率。

轮胎炭是由废旧轮胎在400至900摄氏度之间的热解过程中产生的，其主要成分包括碳网络、锌和硫等元素，以及一些添加剂如硫化剂。这些特性使得TC不仅具有吸附能力，还具备作为催化剂的潜力。与传统的活性炭或生物炭相比，TC在结构和功能方面提供了更多的可能性，使其在环境治理中具有广泛的应用前景。

研究中，对Cu-TC催化剂进行了系统的物化表征。通过粉末X射线衍射（PXRD）分析，发现40%Cu-TC500的XRD图谱主要对应于Cu5Zn8和Cu2+1O，分别作为主要和次要相。而40%Cu-TC600则表现出相反的趋势，这一现象也通过X射线光电子能谱（XPS）分析得到了验证。这些结果表明，不同的煅烧条件对催化剂的结构产生了显著影响，进而影响其催化性能。

此外，研究还发现，Cu-TC催化剂具有中孔和大孔的结构，这使得它们在吸附和催化反应中表现出优异的性能。通过调整氧化剂的浓度和催化剂的用量，研究人员确定了最佳的反应条件。在250毫克/升的氧化剂浓度和500毫克/升的催化剂用量下，40%Cu-TC500/PDS和40%Cu-TC600/PMS系统能够实现100%的MTZ降解，分别在15分钟和10分钟内完成。这一结果表明，TC作为催化剂基质，能够有效激活PMS和PDS，从而提高氧化反应的效率。

在反应机制方面，研究发现，对于PMS/40%Cu-TC600系统，单线态氧（1O2）和高价铜物种是主要的氧化活性物质，而通过非自由基机制实现降解。相比之下，PDS/40%Cu-TC500系统主要依赖于硫酸根自由基（SO4•-）和羟基自由基（•OH）的氧化作用。这一差异表明，不同的催化剂结构和组成可能对氧化反应的路径产生影响，从而决定其在特定污染物降解中的效率。

为了进一步评估催化剂的适用性，研究还对水体基质的影响进行了深入探讨。结果表明，TC催化剂在不同水体环境中的表现可能会受到多种因素的影响，包括水体的pH值、离子浓度以及有机物的含量。这提示在实际应用中，需要考虑水体的复杂性，并优化催化剂的条件以适应不同的环境需求。

研究还发现，Cu-TC催化剂的氧化性能与其组成密切相关。例如，Cu5Zn8和Cu2+1O等金属相的形成可能对催化剂的活性产生重要影响。这些金属相不仅能够促进电子转移，还能够通过不同的氧化路径提高降解效率。此外，研究还指出，金属硫化物在催化降解中具有良好的稳定性、光活性以及电子转移能力，这使得它们成为潜在的材料选择。

在实际应用方面，TC作为由废旧轮胎衍生的材料，其资源丰富且成本低廉，这使其在环境治理中具有显著的优势。与传统的氧化方法相比，使用TC作为催化剂基质能够减少对额外化学品的需求，同时降低污染风险。因此，TC在催化降解中的应用不仅有助于提高处理效率，还能够实现环境友好型的治理方案。

研究中还提到，一些研究人员发现，通过在碳催化剂中掺杂ZnS，可以有效地促进PDS的激活过程。这一发现为TC催化剂的进一步优化提供了新的思路。此外，TC中的Zn和S含量较高，这可能使其在催化反应中具有独特的优势，尤其是在激活PMS和PDS方面。

在环境领域，持久性药品污染物（EPPPs）在地下水、河流和湖泊等水体中被广泛检测，对生态系统和人类健康构成威胁。这些污染物主要来源于人类和动物的排泄物、药物制造过程以及过期药品的处理。抗生素污染尤为突出，因为它们在促进抗生素耐药基因（ARGs）在致病和非致病菌株之间的水平传递中发挥重要作用。

本研究选择了MTZ作为目标污染物，因为它是广泛使用的抗生素之一，且在水体中具有较高的溶解性和扩散性，这使得其在液态环境中的迁移能力较强。MTZ在环境中主要通过过期药物的释放或人类排泄物中的主要代谢物进入水体。因此，对MTZ的高效降解不仅有助于改善水质，还能够减少抗生素耐药性的传播风险。

通过本次研究，Cu-TC催化剂在PMS和PDS的激活过程中表现出良好的催化性能，能够有效降解MTZ。这些催化剂的结构和组成在很大程度上决定了其催化效率和反应机制。研究还发现，不同的煅烧条件和Cu/TC重量比对催化剂的性能产生显著影响，这提示在实际应用中，需要根据具体的污染物和反应条件优化催化剂的制备工艺。

综上所述，本研究通过合成和表征Cu-TC催化剂，探索了其在PMS和PDS激活过程中的应用潜力。研究结果表明，这些催化剂在降解MTZ方面表现出优异的性能，能够显著提高处理效率。此外，TC作为由废旧轮胎衍生的材料，其资源丰富且成本低廉，这使其在环境治理中具有显著的优势。通过本次研究，不仅为TC催化剂的进一步开发提供了理论依据，还为实现可持续的轮胎处理技术提供了新的思路。