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优才大事件｜“鹏城优才”叶恒团队拓展煤泥炭材料环境治理新应用

2025-08-21 13:05

来源：澎湃新闻·澎湃号·媒体

成果介绍

近日，太原理工大学马建超教授团队与深圳市“鹏城优才卡”持卡人、深圳务实研究院叶恒博士等人合作在Applied Surface Science （影响因子6.9）上发表了题为Insight into peroxymonosulfate activation and pollutant removal mechanisms by doped carbon derived from coal slime的研究文章 (DOI:10.1016/j.apsusc.2025.164067)，拓展了煤泥炭材料利用的新途径，为先进的富缺陷的炭材料开发和环境治理应用推广提供了很好的指导和借鉴。

图文摘要

1.全文速览

该研究开发了一种由煤泥衍生的氮掺杂碳材料（N-SC），用于活化过硫酸盐（PMS）以高效降解水中的双酚A（BPA）。研究通过酸洗和高温活化处理煤泥，并以三聚氰胺为氮源进行掺杂，制备出具有丰富表面缺陷和活性位点的N-SC催化剂。实验表明，N-SC在PMS活化过程中表现出优异的催化性能，能够通过自由基和非自由基途径高效降解BPA，最终将其矿化为CO₂和H₂O。此外，N-SC在复杂水质条件下（如含Cl⁻、NO₃⁻和CO₃²⁻的废水）仍能保持高降解效率，并展现出良好的循环稳定性。

2.背景介绍

环境问题：

酚类化合物（如BPA）是常见的水污染物，具有内分泌干扰性，对生态系统和人类健康构成威胁。

现有技术局限：

传统吸附法无法矿化污染物。

过渡金属催化剂虽高效但存在金属浸出和二次污染风险。

碳基材料（如石墨烯）成本高，难以大规模应用。

煤泥的潜力：

煤泥是洗煤副产品，富含碳且成本低廉，但此前其作为催化剂的潜力未被充分挖掘。

3.本文亮点

高效催化性能：

N-SC在150分钟内实现100%的BPA降解，显著优于未掺杂的煤泥碳（SC）和其他杂原子（硫、磷、硼）掺杂材料。

多活性位点：

N-SC表面的C=O、吡啶氮、吡咯氮和石墨氮是PMS活化的关键位点。

双降解途径：

非自由基途径：¹O₂为主导（贡献率56.45%），通过电子转移直接氧化BPA。

自由基途径：SO₄⁻和·OH辅助降解（贡献率合计约37%）。

实际应用潜力：

在含常见阴离子的废水中表现稳定，且通过高温再生后催化活性恢复至97.62%。

4.本文创新点

废物资源化：

首次将煤泥转化为高效碳基催化剂，为工业废物的高值化利用提供新思路。

氮掺杂优化：

通过三聚氰胺掺杂调控表面电子结构，显著提升催化活性（比未掺杂SC提高15-25%）。

机理深入解析：

结合GC-MS和淬灭实验，明确了BPA的降解路径和活性物种的贡献比例。

非金属催化剂：

避免了金属浸出风险，更具环境友好性。

5.图文解析

材料表征分析

污染物降解性能

6.总结与展望

该研究成功开发了一种低成本、高性能的N-SC催化剂，通过氮掺杂和表面功能化显著提升了煤泥碳的PMS活化能力。N-SC在BPA降解中表现出优异的催化效率、稳定性和环境适应性，为水中有机污染物的治理提供了可持续的解决方案。

1. 扩展应用：探索N-SC对其他新兴有机污染物（如抗生素、染料）的降解效果。

2. 规模化制备：优化合成工艺以降低能耗，推动工业化应用。

3. 机理深化：进一步研究氮掺杂类型与催化活性的构效关系，指导催化剂设计。

4. 复合催化剂：尝试与其他非金属材料（如生物炭）复合，进一步提升性能。

5. 实际废水验证：在真实工业废水环境中测试N-SC的长期稳定性和经济性。

7.参考文献

1. J. Ma, H. Wu, H. Zhao, S. Zhang, H. Ye, Insight into peroxymonosulfate activation and pollutant removal mechanisms by doped carbon derived from coal slime, Applied Surface Science,712(2025)164067. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2025.164067.

8.作者介绍

马建超：教授，天津大学博士，科廷大学访问学者，阿德莱德大学高级访问学者，山西省“三晋英才”青年优秀人才，山西省优秀青年学术带头人，孙越崎（二十九届）青年科技奖和山西省教授协会“科技兴晋突出贡献专家”获得者，现任太原理工大学矿业工程学院矿业实验中心主任。马建超教授长期从事矿山固废和废水处理的研究和开发工作，研究方向为煤基固废综合利用、有机高浓度氨氮废水处理和矿井水治理。围绕膨润土、煤矸石新型利废新材料理论及其应用方面制备出了具有絮凝沉降特性的磁性材料和煤矸石胶结材料，将纳米技术和矿物材料紧密结合在一起，实现了煤基固废和煤伴生矿物的高值化利用。先后主持了国家自然基金、国家科技重点研发计划子课题、山西省重点、山西省基金、中国清洁发展机制基金等项目，荣获山西省科学技术发明奖二等奖（排名第1）和山西省科学技术进步二等奖（排名第1），发表学术论文30余篇，授权国家发明专利10余项，出版专著1部。

叶恒：博士，博士后，现任职于深圳务实科学研究公司深圳务实研究院的副院长职务，是务实研究院的科研论文服务和计算模拟的主理人。本科硕士毕业于东北大学材料系，硕士博士阶段分别在中国科学院金属所和澳洲西澳大学有实质的科研经历，2019年博士毕业于澳大利亚科廷大学，2021年从哈尔滨工业大学深圳校区博士后出站，主要从事材料，化学和环境，微纳米机器人相关的研究工作，在Applied Catalysis B: Environmental, Chemical Engineering Journal, Journal of Colloid and Interface Science, Applied Materials Today, Chemical Communications, Journal of Materials Processing Technology, Journal of The Electrochemical Society, Separation and Purification Technology, Journal of Alloys and Compounds, Applied Surface Science, Advanced Materials, ACS nano等国际期刊上发表高水平科技论文20余篇，其中封面论文1篇。申请并授权中国发明专利1项。被认定为深圳市海外高层次人才和宝安区高层次人才（综合类），是深圳市鹏城优才卡和宝安区凤凰英才卡持卡人。

文章链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0169433225017829

9.务实研究院介绍

务实研究院是由长沙理工大学刘小春教授发起创办的新型科研机构。面向全球联合了近100名博士以上层次的科学家创始人，自筹资金近2000万元，采购了多套大型的电子显微镜（TEM、FIB和SEM）等高端设备，倡议学术与商业化并行，创新科研发展模式。面向全球客户提供科研项目合作、产品研发与材料测试服务，近期，务实研究院科学家对外正式推出一款联合研制的MIPAR分析型光学显微镜，基于AI图形自动定量分析能力，重新定义高端光学显微镜。

围绕科学研究产业链，务实研究院还将持续推出期刊创办、论文辅导修改，科研计算模拟等科研辅助服务，例如论文发表修改支持服务的新型业务。叶博士具有十余年在材料化学环境等理工学科的科研经历和较强的科技英语应用水平。本人在2018年，澳洲的博士毕业论文的审稿意见是不用修改，直接通过。因而只用了不到4年时间，拿到了澳洲的世界200强高校科廷大学的博士学位。欢迎学术界和产业界的客户精英们联系我们由科学家主导的务实研究院，共同推进科研测试，学术发表，计算模拟和科创辅助服务水平和质量。

邮件联系方式：hye12s@alum.imr.ac.cn

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电话：18929343537

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