石墨烯基催化劑已廣泛應(yīng)用于催化臭氧化。然而，由于難以獲得具有高結(jié)構(gòu)精度的石墨烯，因此目前理解層狀碳催化劑的固有結(jié)構(gòu)與其催化活性之間的關(guān)系是不可行的。這里，一種先進(jìn)的等離子體輔助蝕刻策略被用于通過(guò)定制缺陷類型來(lái)微調(diào)單層石墨烯膜的臭氧化活性。拉曼圖譜顯示，制備的單層石墨烯薄膜的缺陷主要是sp
3、空位和邊界型缺陷。通過(guò)淬滅實(shí)驗(yàn)、電子順磁共振結(jié)果和密度泛函理論計(jì)算，揭示了這些活性缺陷在操縱單層石墨烯薄膜氧化勢(shì)中的作用和貢獻(xiàn)。催化結(jié)果表明，具有類邊界缺陷的單層石墨烯薄膜對(duì)磺胺甲惡唑的降解表現(xiàn)出最佳的催化性能。這項(xiàng)工作通過(guò)構(gòu)造額外的缺陷位點(diǎn)，為高效含碳催化劑的設(shè)計(jì)提供了新的見(jiàn)解。
圖 1. (a) 缺陷石墨烯/SiO2/Si的制備示意圖。 原始石墨烯在(b)銅箔上生長(zhǎng)和(c)轉(zhuǎn)移到 SiO2/Si 基板上的SEM圖像。生長(zhǎng)在(d) 銅箔上和 (e) 轉(zhuǎn)移到 SiO
2/Si襯底上的GF-3的 SEM 圖像。 (f) GF-3薄膜的TEM圖像和 (g) SAED圖案。 (h) GF-3樣品的的光學(xué)顯微鏡和拉曼強(qiáng)度圖 (i) Gpeak、(j) D-peak、(k) D'-peak和 (l) 2D-peak。
圖 2. (a,b) GF-1、(c,d) GF-2、(e,f) GF-3 和 (g,h) GF-4 的SEM顯微照片。 (i) 具有不同等離子體蝕刻時(shí)間的缺陷石墨烯薄膜的拉曼光譜和 I(D)/I(D') 強(qiáng)度比。有缺陷的石墨烯薄膜的水接觸角升高作為等離子體暴露時(shí)間的函數(shù)：(j) GF-1、(k) GF-2、(l) GF-3 和 (m) GF-4。 不同石墨烯薄膜的 I(D)/I(D') 比的拉曼映射：(n) GF-1、(o) GF-2、(p) GF-3 和 (q) GF-4。
圖 3. (a) 用于臭氧催化實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)器。(b)石墨烯和缺陷石墨烯的催化臭氧化效率曲線 (c)相應(yīng)的 TOC 去除率。 (d) SMZ 降解的偽一級(jí)動(dòng)力學(xué)速率常數(shù)。 條件：SMZ 濃度：5 mg/L，臭氧流速：100 mL/min，溫度：25℃，用 0.1M HCl/NaOH 溶液將pH調(diào)至 7.0。
圖 4. 使用 DMPO 作為捕集劑在 (a) 超純水和 (b) 無(wú)水甲醇中進(jìn)行的 EPR 光譜。 (c) 使用 TEMP 作為捕集劑在超純水中進(jìn)行的 EPR 光譜。 (d)與有缺陷的石墨烯在用臭氧鼓泡 30 分鐘后產(chǎn)生的•OH 量相關(guān)的熒光發(fā)射強(qiáng)度峰。(e)淬滅劑對(duì) SMZ 降解的影響。
圖 5. 有缺陷的石墨烯催化劑不同位點(diǎn)上臭氧分子的 DFT 模型：(a) 原始石墨烯，(b) sp
3型缺陷石墨烯，(c) 空位型缺陷石墨烯，(d) 鋸齒形邊緣型缺陷石墨烯 ，和（e）扶手椅邊緣型缺陷石墨烯。
圖 6. 多片 (a) 和多層 (b) 缺陷石墨烯薄膜的示意圖。 (c)多層缺陷石墨烯的拉曼光譜。 (d) 是（c）中G峰和2D峰的放大。(e)用多層缺陷石墨烯和 (f)多片缺陷石墨烯通過(guò)催化臭氧化去除 SMZ。 (g) 存在各種陰離子時(shí)的 SMZ 氧化效率。 (h) SMZ降解率與溶液pH 值之間的關(guān)系。
相關(guān)科研成果華東師范大學(xué)Yenan Song和Zhuo Sun等于2021年發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces（https://doi.org/10.1021/acsami.1c16920）上。原文：Defect-Engineered Graphene Films as Ozonation Catalysts for the Devastation of Sulfamethoxazole: Insights into the Active Sites and Oxidation Mechanism。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
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