行业领域

高新技术改造传统产业,先进制造技术

需求背景

3D金属有机框架（MOFs）衍生的金属@多孔碳催化剂在新型水处理高级氧化技术中的应用背景，是基于MOFs独特的孔隙结构和可调的化学组成，这些特性使其在催化领域展现出巨大潜力。通过热解MOFs，可以制备出具有高比表面积和多孔结构的金属@多孔碳复合材料，这些材料不仅继承了MOFs的高催化活性，还提高了在水处理过程中的稳定性和循环利用性。

在水处理领域，高级氧化技术（AOT）是一种有效的手段，用于降解水中难降解的有机污染物。通过使用3D打印技术，可以精确控制催化剂的形状和孔隙结构，从而优化其在反应过程中的传质和传热效率。这种方法能够制造出具有复杂三维结构的整体式催化剂，这些催化剂在处理高流速和难以液固分离的化学反应中表现出显著的优势。

此外，MOFs衍生的催化剂在电催化CO2还原反应（CO2RR）中也显示出了巨大的潜力。通过设计MOFs内部的催化位点和调控反应微环境，可以提高CO2RR的活性和选择性，这对于实现可持续的碳经济具有重要意义。

在实际应用中，如西安交通大学的研究团队所示，3D打印技术已经被用于制造具有仿生螺旋多孔结构的整体式催化剂，这些催化剂在乙烯一步氧化为乙二醇的高效催化中表现出色，解决了传统催化剂效率低下和难以分离回收的问题。

综上所述，3D金属有机框架衍生的金属@多孔碳催化剂在新型水处理高级氧化技术中的应用背景，是基于其在催化效率、稳定性和可调控性方面的优势，结合3D打印技术的应用，为水处理和环境修复提供了一种高效、可持续的技术解决方案。

需解决的主要技术难题

(1)高催化活性金属@多孔碳的可控制备及其催化性能调控关键参数识别

        解析金属@多孔碳中 MOF 模板类别、金属元素组成和制备方法对提高其在活化过氧化氢/过硫酸盐高级氧化技术中活性的作用，建立金属@多孔结构/性质与催化活性的构效关系;实现对粉末金属@多孔碳的颗粒化，优化题粒化条件与参数，解析影响其催化性能的关键调控参数，提出高活性金属@多孔碳颗粒成型的技术路线与方法条件。

(2)金属@多孔碳类芬顿高级氧化技术的构筑及效能研究

        分析主要工艺参数对体系除污染能力的影响规律，并进行优化。以城市污水处理厂二级出水为研究对象，以颗粒化金属@多孔碳为催化剂，构建连续流固定床除污染体系，评价该体系在应对不同污水水质时的适应性和稳定性，评价金属@多孔碳在连续使用过程中性能稳定性、结构/化学性质稳定性。

(3)金属@多孔碳类芬顿高级氧化技术作用机制研究

        解析金属@多孔碳催化剂中金属单质、金属氧化物和多孔碳之间的协同作用机理，揭示污染物吸附散行为和界面催化反应在除污染过程中的耦合作用机制。

期望实现的主要技术目标

本研究以金属-有机框架材料(metal-organic frameworkgraphene materials,MOF)为模板，研发金属@多孔碳(metal@porous carbon)新型催化剂，构筑对城市生活污水中药物及个人护理品(PPCPS)具有显著除污染能力的新型类芬顿高级氧化技术：

(1)探索以 MOF 为模板，制备金属@多孔碳高效催化剂的可控制备方法，掌握其活化过氧化氢/过硫酸盐的催化性能调控关键和作用机制，实现对PPCPS的高效降解。

(2)阐述金属@多孔碳活化过氧化氢/过硫酸盐强化去除典型PPCPs的工艺特性，分析其在实际应用中的可行性和稳定性，为实现城市生活污水中PPCPS的高效处理和脱毒提供新技术。

(3)解析金属与多孔碳在活化过氧化氢/过硫酸盐反应中的协同作用，构建金属@多孔碳活化过氧化氢/过硫酸盐高级氧化除污染技术的作用机制，阐述其对典型 PPCPs的降解机理和脱毒机制。