高濃度有機廢水組分復雜、濃度高、毒性大，常規生化法難以處理，作為危險廢物，其處理成本高達4000至12000元/噸。催化濕式氧化法 (CWAO) 具有清潔高效，運行成本低等特點，可解決企業面臨的環保瓶頸問題。其中，催化劑是CWAO的核心，如何通過催化劑結構與性能的構效關系，揭示CWAO催化氧化機制，研制出高穩定性、高性能的催化氧化催化劑，建立催化過程智能控制，是該領域研究中面臨的核心科學問題。
針對上述問題，孫承林團隊以“通過對CWAO催化劑進行微納結構調控以實現其特定功能”為主要研究方向，直接地把科學發現同產業發展聯系在一起，以“催化劑壽命—催化機制—工程過程控制”為研究主線，圍繞國際上前沿的催化材料，并結合國內企業需求，發展了新型催化劑改性方法及工程應用裝備。
團隊研發出了限域型廢水催化氧化催化劑：通過構建催化劑顆粒表面納米空間限域層的策略，提高了催化劑表面的活性氧(Reactive oxygen species , ROS)利用率，從而強化催化氧化反應。團隊構建的超結構限域催化劑Ni(2.8)-NCNT/CB在進行間甲酚污染物的氧化降解過程中，實現了8分鐘內近100%的去除效果，與傳統單原子催化劑Ni(2.8)-NCNT(20分鐘，65%去除率)相比，其去污效率大幅提升。結合電子順磁共振譜(EPR)和電化學測試等測試表征方法，研究發現催化劑表面的納米管陣列結構構成的限域空間對催化反應起到至關重要的促進作用。該研究為提高催化氧化降解污染物效率及降低氧化劑投加量提供了新的催化劑設計思路。
此外，孫承林團隊基于在CWAO技術上多年積累的經驗，采用上述新型催化劑，解決了傳統芬頓氧化技術產生大量鐵泥危廢的難題，并可制備出優質復合碳源。2022年3月18日，在中兵節能環保公司的牽頭組織下，孫承林團隊與華錦聯合石化形成產學研用協同創新體。團隊與中兵節能環保公司共同制定試驗方案并開展小試中試研究，2022年9月30日，完成小試研究。2023年4月，團隊與中兵節能環保公司、大連科鐸環境合作，針對蒽醌法制雙氧水生產廢水完成中試試驗，實現了危廢鐵泥產量降低95%以上，運行費用降低45%以上，具備工業化放大條件。
文中相關理論研究工作以“Space-Confined Surface Layer in Superstructured Ni-N-C Catalyst for Enhanced Catalytic Degradation of m-Cresol by PMS Activation”為題，發表在ACS Applied Materials & Interfaces上，該工作的第一作者為我所DNL0902組靳承煜博士。該研究得到了國家重點研發計劃、中科院A類先導專項“變革性潔凈能源關鍵技術與示范”、中科院青促會等項目的支持。(文/衛皇曌、于永輝、靳承煜 圖/靳承煜、董帥)
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