随着工业化的加速和污染物排放的持续增长，有机废水对生态系统和人类健康构成严峻威胁。据统计，工业废水处理能耗占全球水处理总能耗的28%，而传统芬顿技术因催化剂失活问题导致处理效率低下。金属基催化剂在高级氧化过程中普遍存在瓶颈：依赖于价态循环的催化过程难以有效持续循环，电子转移路径受限，且传统制备工艺依赖高温高压，产率仅11-15%。

针对上述挑战，大连理工大学研究团队通过湿化学电置换法将商业纤维素与铜离子定向复合，成功合成Cu-C纳米催化剂。开发出具有双通道催化机制（自由基路径+直接电子转移）及宽pH适应性的新型降解体系：该材料在5分钟内降解65%四环素（商业材料＜5%），铜离子泄漏量＜1.25 mg/L（低于国标2.0 mg/L），填充床反应器（PTR）实现20秒停留时间内＞99%污染物去除。这类材料能通过直接电子转移路径维持催化活性，破解了传统催化剂环境适应性差的难题。该研究以题为“Robust dual-channel catalytic degradation relying on organic pollutants via Cu-C composites with directional electron harvest and classical radical species generation”的论文发表在《Chemical Engineering Journal》上。
 

01 Cu-C纳米催化剂的形成
在商业纤维素载体的基础上，团队引入铜离子，通过湿化学电置换法原位构建了具有双通道催化活性的Cu-C纳米复合材料。该材料在不同环境条件下展现出独特的电子转移效应，通过图1C的扫描电镜（国仪量子SEM5000）表征，研究团队揭示了Cu-C的微观结构演变：原始纤维素呈现无序网络，复合后形成10nm铜球聚集体（图1C），最终自组装为100nm分级球体。这种结构在反应中维持高分散性，为电子传递提供通道。同时SEM-EDS也证实了各类元素在催化剂中的均匀分布。FTIR光谱显示，在引入Cu物种后，Cu₂O峰出现在682.31 cm^-1处，这可能是由于制备过程中发生的氧化还原反应（图1D）。C=C在1638.78 cm^-1处，C=O在1735.80 cm^-1处和C–H在2899.11 cm^-1处的存在进一步证实了这一点，同时在3200–3600 cm^-1处观察到一个非常明显的–OH峰。XPS分析表明，铜官能化后，Cu 2p峰主要归因于Cu₂（OH）₂CO₃和Cu₂O，而C 1s峰显示存在C=C和C-C键，这与FTIR的发现一致。

图1.催化剂的制备及表征
 

图2. Cu-C纳米催化剂降解污染物性能

03 双通道催化路径研究
双通道催化如何突破效率极限？主要以直接电子转移路径和自由基路径分别大概占比45%和55%共同促进催化循环，实现污染物的高效降解。双通道证实：叔丁醇猝灭降解率和EPR捕获强SO₄•⁻/•OH信号以及XPS显示Cu(II)结合能↓1.01eV（表明铜物种周围电子密度增加），电化学检测45μA电流（污染物→催化剂电子流）。不同污染物的给电子能力与催化性能呈现一定的正相关，也副证了直接电子转移路径。
 

图3. 具有双通道催化机制的活化机理分析

04 修复水体的中间产物毒性与水体再应用
降解中间体毒性降低+ 处理水养出健康小球藻，双通道催化让废水"复活"！中间产物毒性分析（图3A-B）：降解产物对鱼类LC₅₀毒性降低96%（vs 四环素），90%中间体的发育毒性/诱变性低于四环素（除Ip4）。小球藻培养（图3C-I）：处理水组培养的小球藻生物量与纯水组相当。其次使用处理后的水培养的睡莲，其株高显著优于在未处理的含四环素废水中培养的睡莲。

图4. 中间产物的低毒性和水系统再应用

05 催化的适应性与大规模制备
本研究在超快速制备催化剂和快速降解有机污染物的基础上，深入研究了Cu-C粉末材料和CuC@FC填料塔反应器（PTR）的实用性。对初始浓度为1 mg L-1的水样进行了TC（富电子）、甲基红（染料）和氯苯（缺电子）的连续去除试验。大约13升水通过CuC@FCPTR，TC和甲基红的去除率均保持在99%以上，而氯苯的去除率明显更低。这表明CuC@FCPTR系统在去除水样中的富电子污染物和染料方面非常有效。 此外，将Cu-C的合成温度和持续时间与文献中报道的传统技术进行了比较。Cu-C材料的表现出明显更低的温度和更短的制备时间。这清楚地表明了通过自动化设备大规模生产低能耗高质量铜基材料的可行性，使其适用于工业应用。
 

图5.催化的适应性与大规模制备

这项工作实现了有机污染物降解在高效性与可持续性的双向突破。双通道催化机制（自由基路径 + 直接电子转移）可协同调控，进而产生与污染物电子特性相匹配的降解通路，以适应不同水质条件。该设计为工业废水处理的低能耗、高兼容性、资源化回用开辟了新范式。

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