国仪电镜揭示Cu-C纳米球结构助力优化废水净化处理失活难题

  随着工业化的加速和污染物排放的持续增长，有机废水对生态系统和人类健康构成严峻威胁。据统计，工业废水净化处理能耗占全球水处理总能耗的28%，而传统芬顿技术因催化剂失活问题导致处理效率低下。金属基催化剂在高级氧化过程中都会存在瓶颈：依赖于价态循环的催化过程难以有效持续循环，电子转移路径受限，且传统制备工艺依赖高温度高压力，产率仅11-15%。

  针对上述挑战，大连理工大学研究团队通过湿化学电置换法将商业纤维素与铜离子定向复合，成功合成Cu-C纳米催化剂。开发出具有双通道催化机制（自由基路径+直接电子转移）及宽pH适应性的新型降解体系：该材料在5分钟内降解65%四环素（商业材料＜5%），铜离子泄漏量＜1.25 mg/L（低于国标2.0 mg/L），填充床反应器（PTR）实现20秒停滞时间内＞99%污染物去除。这类材料能通过直接电子转移路径维持催化活性，破解了传统催化剂环境适应性差的难题。该研究以题为“

  通过图1C的扫描电镜（国仪量子SEM5000）表征，研究团队揭示了Cu-C的微观结构演变：原始纤维素呈现无序网络，复合后形成10nm铜球聚集体（图1C），最终自组装为100nm分级球体。这种结构在反应中维持高分散性，为电子传递提供通道。同时SEM-EDS也证实了各类元素在催化剂中的均匀分布。FTIR光谱显示，在引入Cu物种后，Cu2O峰出现在682.31 cm-1处，这可能是由于制备过程中发生的氧化还原反应（图1D）。C=C在1638.78 cm-1处，C=O在1735.80 cm-1处和C–H在2899.11 cm-1处的存在进一步证实了这一点，同时在3200–3600 cm-1处观察到一个很明显的–OH峰。XPS分析表明，铜官能化后，Cu 2p峰主要归因于Cu2（OH）2CO3和Cu2O，而C 1s峰显示存在C=C和C-C键，这与FTIR的发现一致。

  Cu-C催化剂在过硫酸盐（PDS）活化中展现出双重降解路径（图2A-G）：5分钟内去除65%四环素（商业催化剂＜5%），铜离子泄漏量仅1.25 mg/L（低于国标限值），且均相铜离子添加实验证实降解源于非均相催化（图2A-C）。且进行了详细的变量实验，确定了最优的氧化剂类型，催化剂量和氧化剂剂量。与众多的铜基催化剂活化PS氧化剂性能相比，具有突出的优势。

  双通道催化如何突破效率极限？主要以直接电子转移路径和自由基路径分别大概占比45%和55%共同促进催化循环，实现污染物的高效降解。双通道证实：叔丁醇猝灭降解率和EPR捕获强SO₄•⁻/•OH信号以及XPS显示Cu(II)结合能↓1.01eV（表明铜物种周围电子密度增加），电化学检测45μA电流（污染物→催化剂电子流）。不同污染物的给电子能力与催化性能呈现一定的正相关，也副证了直接电子转移路径。

  降解中间体毒性降低+ 处理水养出健康小球藻，双通道催化让废水复活！中间产物毒性分析（图3A-B）：降解产物对鱼类LC₅₀毒性降低96%（vs 四环素），90%中间体的发育毒性/诱变性低于四环素（除Ip4）。小球藻培养（图3C-I）：处理水组培养的小球藻生物量与纯水组相当。其次使用处理后的水培养的睡莲，其株高显著优于在未处理的含四环素废水中培养的睡莲。

  本研究在超快速制备催化剂和快速降解有机污染物的基础上，深入研究了Cu-C粉末材料和CuC@FC填料塔反应器（PTR）的实用性。对初始浓度为1 mg L-1的水样进行了TC（富电子）、甲基红（染料）和氯苯（缺电子）的连续去除试验。大约13升水通过和甲基红的去除率均保持在99%以上，而氯苯的去除率明显更低。这表明系统在去除水样中的富电子污染物和染料方面很有效。 此外，将Cu-C的合成温度和维持的时间与文献中报道的传统技术进行了比较。Cu-C材料的表现出明显更低的温度和更短的制备时间。这清楚地表明了通过自动化设备大规模生产低能耗高质量铜基材料的可行性，使其适用于工业应用。

  SEM5000Pro是低电压高分辨的热场发射扫描电镜，使用了高压隧道技术（Super-Tunnel）、无交叉电子光路、静电电磁复合物镜设计，减少了空间电荷效应，降低系统像差，实现了 1.1 nm@1 kV 的分辨能力。低压下的成像分辨能力提升，可对不导电样品或半导体样品进行直接观察，大大降低了样品辐照损伤。国仪电镜揭示Cu-C纳米球结构，助力优化废水净化处理失活难题

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