南京大学ACB| 双重蚀刻生物质活性炭阴极分级孔隙率工程:H2O2 电产与抗生素降解的定向控制

图 1. (a) P-PBC-X材料的合成过程示意图。(b, c) P-PBC-4的扫描电子显微镜图像。(d) P-PBC-4的HAADF-STEM图像。(e) P-PBC-4的透射电子显微镜图像，插图为选区电子衍射花样。(f) 示意图展示了P-BC、PBC和P-PBC-4三种材料活性位点可及性与比表面积的对比。(g) P-PBC-4中C、O、N三种元素的相应EDS能谱及分布图。

图 2. (a) N2吸附-脱附等温线。(b) BC、PBC、P-BC与P-PBC-4的比表面积、微孔面积、总孔容、微孔容及孔径对比。(c) 基于Barrett-Joiner-Halenda模型计算的BC、PBC、P-BC与P-PBC-4的介孔孔容与介孔面积。(d) BC、PBC、P-BC与P-PBC-4的孔径分布。(e) 稻壳、BC、PBC、P-BC与P-PBC-4的热重（空气气氛）与微分热重曲线分析。(f) BC、PBC、P-BC与P-PBC-4的氮含量分布。(g) BC、PBC、P-BC与P-PBC-4的X射线衍射谱图。(h) BC、PBC、P-BC与P-PBC-4的拉曼光谱。(i) BC、PBC、P-BC与P-PBC-4的固体电子顺磁共振谱图。

图 3. (a) 循环伏安曲线，(b) 电化学阻抗谱，及 (c) 双层电容值，分别对应 BC、PBC、P-BC 和 P-PBC-4 四种阴极材料。(d) BC、PBC、P-BC 和 P-PBC-4 四种催化剂在 1600 rpm 转速下的旋转环盘电极极化曲线。对应的(e) 电子转移数 (n) 与 (f) H₂O₂ 选择性。

图 4. (a) 碳布及所制备催化剂的H₂O₂产率对比。(b) 微孔面积与H₂O₂产率的拟合曲线。(c) 不同模型化合物上O₂的吸附能。(d) P-PBC-4中O-Gra-N、O-Pyr-N和O-Pyd-N模型的电荷密度差分图。黄色表示电荷积累，青色表示电荷耗散，等值面水平为0.001 e Bohr⁻³（棕色、蓝色和红色分别代表碳、氮和氧原子）。(e) C 2p轨道和O 2p轨道的分波态密度图。黑色虚线表示费米能级。(f) P-PBC-4的原位拉曼光谱。(g) 在不同模型表面（O-Gra-N、O-Pyr-N、O-Pyd-N、O-C）施加U = 0.7 V电压时，2e⁻-ORR过程的吉布斯自由能图。

图 5. (a) 反应装置示意图。(b) 所制备催化剂的四环素降解实验。(c) P-PBC-4 与已报道电催化剂的四环素降解性能对比。(d) 在 P-PBC-4 体系中，使用 DMPO 和 TEMP 捕获剂检测到的·OH、¹O₂ 和·O₂⁻ 的 ESR 谱图。(e) P-PBC-X 在不同实际水体中的四环素降解性能。(f) 介孔孔容与反应速率常数 k 值的拟合曲线。(g) P-BC、PBC 和 P-PBC-4 材料微-介孔结构内污染物传输示意图。

结论

本研究提出了一种双重刻蚀策略，通过H₃PO₄刻蚀构建宏-介孔结构，再经KHCO₃进一步刻蚀形成微孔，成功制备了具有分级拓扑纳米通道结构的氮氧双掺杂生物质活性炭催化剂。密度泛函理论计算表明，在含有C-O-C基团的碳基模型中掺杂含氮基团能够降低*OOH中间体的生成能垒，从而促进2e⁻-ORR过程。优化后的P-PBC-4材料展现出卓越的双功能电催化性能，实现了高产率H₂O₂生成（38.22 mmol L⁻¹）与高效四环素降解（k = 0.1322 min⁻¹）的协同效果。定量构效关系分析表明，微孔面积主导H₂O₂产率（R²=0.9041），而介孔体积通过强化传质过程决定四环素降解动力学（R²=0.8324）。这些机理认识为通过孔结构工程定向调控H₂O₂生成与污染物降解效率提供了理论基础。总之，本研究通过理性调控分级孔道环境，为设计无金属生物质活性炭电催化剂建立了新范式。

注：仅代表小编个人观点，侵权请联系！

本文链接：https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2025.125953