臭氧高級(jí)氧化技術(shù)憑借其核心武器——強(qiáng)氧化性的羥基自由基（·OH），已成為降解水體中難纏有機(jī)污染物的關(guān)鍵手段。這些自由基氧化電位極高（2.80 V），能無(wú)選擇性地將復(fù)雜有機(jī)物礦化為無(wú)害的二氧化碳和水。然而，臭氧自身存在明顯短板：它與多數(shù)有機(jī)物的直接反應(yīng)速率常數(shù)偏低（通常僅0.1-10 L·mol?1·s?1），且其在水中的溶解度和化學(xué)穩(wěn)定性均不理想（溶解度約570 mg/L，20°C；半衰期僅約20分鐘）。這限制了臭氧單獨(dú)應(yīng)用的效能，促使非均相臭氧催化劑成為提升整個(gè)高級(jí)氧化過(guò)程效率的關(guān)鍵所在。

所謂非均相臭氧催化劑，特指在催化反應(yīng)體系中與臭氧（氣相或液相）及待處理水體（液相）處于不同物理相態(tài)的催化材料。它們通常以固體形態(tài)存在，通過(guò)與氣態(tài)或溶解態(tài)臭氧以及液相污染物的多相界面接觸，顯著加速臭氧向羥基自由基的轉(zhuǎn)化鏈條，從而放大氧化效能。

科力邇臭氧催化劑

目前，研究者們聚焦于不同載體構(gòu)建的非均相臭氧催化劑，它們各具特色，也各有挑戰(zhàn)：

1. 金屬氧化物基催化劑（如Al?O?、TiO?、MnO?、Fe?O?及其復(fù)合物）： 這類(lèi)催化劑通常展現(xiàn)較高的本征催化活性和令人滿意的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。然而，其規(guī)?；瘧?yīng)用常受制于貴金屬組分（如Pt、Ru）帶來(lái)的成本壓力。此外，部分金屬氧化物（如鐵氧化物）在復(fù)雜水質(zhì)環(huán)境中易受共存陰離子（磷酸鹽、碳酸鹽）抑制或發(fā)生金屬離子溶出，不僅降低效率，還可能引發(fā)二次污染。

2. 分子篩基催化劑（如ZSM-5、Y型沸石負(fù)載金屬）： 分子篩憑借其規(guī)整的晶體結(jié)構(gòu)與可調(diào)的孔道系統(tǒng)，提供了優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和獨(dú)特的選擇性催化能力。但其合成工藝復(fù)雜且能耗高，導(dǎo)致整體成本居高不下。更關(guān)鍵的是，在水處理長(zhǎng)期運(yùn)行或極端條件下，其活性位點(diǎn)易被水中雜質(zhì)覆蓋或骨架鋁流失，造成不可逆失活。

3. 碳基催化劑（活性炭AC、碳納米管CNTs、石墨烯Graphene及其衍生物）： 以碳材料為核心的催化劑正展現(xiàn)出令人矚目的綜合優(yōu)勢(shì)：

• 巨大的比表面積： 碳材料（如活性炭比表面積可達(dá)1000-3000 m2/g，石墨烯理論值約2630 m2/g）如同廣闊戰(zhàn)場(chǎng)，為臭氧分子與污染物的富集及催化反應(yīng)提供了海量活性位點(diǎn)，極大提升了界面反應(yīng)效率。

• 卓越的化學(xué)惰性： 在寬廣的pH范圍及氧化環(huán)境下，碳骨架展現(xiàn)出極強(qiáng)的耐受性，不易被反應(yīng)介質(zhì)腐蝕或破壞，保障了長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性。

• 可設(shè)計(jì)的孔道結(jié)構(gòu)： 通過(guò)合成與活化工藝的精細(xì)調(diào)控（如調(diào)控活性炭的微孔/介孔比例、設(shè)計(jì)碳納米管陣列），能優(yōu)化反應(yīng)物傳質(zhì)路徑與活性位點(diǎn)分布，從而定向提升催化性能。

• 環(huán)境友好屬性： 碳源廣泛（生物質(zhì)、礦物），制備過(guò)程相對(duì)綠色，且廢棄碳材料環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)較低，契合可持續(xù)發(fā)展理念。

• 突出的可循環(huán)性： 多數(shù)碳基催化劑可通過(guò)簡(jiǎn)單熱處理、洗滌等方式有效再生，顯著降低運(yùn)行成本與資源消耗。

綜合比較可見(jiàn)，以碳基材料為載體的非均相臭氧催化劑憑借其獨(dú)特的物理化學(xué)特性，在效能、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性與環(huán)境友好性之間取得了更優(yōu)的平衡，代表了當(dāng)前的重要發(fā)展方向。

碳基催化劑的核心優(yōu)勢(shì)源于其本征屬性。高比表面積構(gòu)筑了高效的“反應(yīng)平臺(tái)”；優(yōu)異的導(dǎo)電性（如石墨烯載流子遷移率可達(dá)200,000 cm2·V?1·s?1）促進(jìn)了電子轉(zhuǎn)移過(guò)程，加速了臭氧的活化；強(qiáng)大的化學(xué)穩(wěn)定性則是持久作戰(zhàn)的基石。作為載體（如負(fù)載金屬納米顆粒）或本身作為活性催化劑（含氧官能團(tuán)、結(jié)構(gòu)缺陷亦可催化），碳材料能強(qiáng)力吸附富集水中痕量有機(jī)污染物，縮短其與活性物種的“距離”。更重要的是，它能高效促進(jìn)臭氧分子在其表面發(fā)生鏈?zhǔn)椒纸夥磻?yīng)（O? → O? + O；O + H?O → 2·OH），源源不斷產(chǎn)生高濃度的羥基自由基軍團(tuán)，實(shí)現(xiàn)對(duì)污染物的深度礦化。

科力邇碳基臭氧催化劑

因此，非均相臭氧催化劑，特別是性能日益優(yōu)化的碳基催化劑，已成為解鎖臭氧高級(jí)氧化技術(shù)全部潛能的關(guān)鍵鑰匙。它們通過(guò)多相界面的精密催化工程，顯著克服了臭氧自身的局限，為更高效、更經(jīng)濟(jì)、更綠色的水質(zhì)深度凈化提供了強(qiáng)大的技術(shù)支撐，持續(xù)驅(qū)動(dòng)水處理技術(shù)的革新。