碳材料等非金属催化剂可避免金属溶出的二次污染等问题，在臭氧催化氧化水处理技术中受到广泛关注。在碳材料中引入含氧官能团可通过改变催化剂的局部性质，从而调控其催化臭氧氧化活性。现有研究报道了增加含氧官能团可提高石墨烯及碳纳米管等碳材料催化臭氧氧化性能，但不同种类含氧官能团在碳材料催化臭氧氧化中的作用及其定量构效关系仍不明确。建立不同含氧官能团与碳材料催化活性之间的定量构效关系对发展高效臭氧氧化催化剂具有重要指导意义。
针对上述问题，南京大学环境功能材料与水污染控制研究团队单超副教授课题组以不同氧掺杂量的石墨相氮化碳(g-C3N4)为催化剂，以阿特拉津(ATZ)为模型污染物，探究了不同含氧官能团与催化臭氧氧化活性之间的定量关系。采用尿素-草酸热聚法，通过调节含氧前驱体草酸(OA)的含量，制备了一系列具有不同种类及数量含氧官能团(C-O/C=O/COOH)的氧掺杂g-C3N4(记为x OA-CN，其中x为OA与尿素的摩尔比)。XPS等表征表明，随着OA比例的增加，氧掺杂g-C3N4中依次开始出现C-O、C=O、-COOH三类含氧官能团，且其各自数量总体随OA比例提高而增加。催化臭氧氧化性能实验表明，随着氧掺杂量的增加，其催化活性先增加后减小，50% OA-CN催化活性最高。回归分析表明，在适当范围内(x ≤ 50%)提高氧掺杂量，C-O/C=O两种官能团数量随之增加，相应的催化活性(kobs/SBET)与两种官能团数量之和(C-O+C=O)呈线性正相关；但过度氧掺杂导致形成-COOH基团，催化活性随-COOH基团增加而显著下降；由此，在氧掺杂量的适宜区间和考察的全范围均分别建立了氧掺杂g-C3N4中含氧官能团与催化臭氧氧化活性之间的定量关系(kobs/SBET = 8.13 × (C-O+C=O) + 1.11 (x ≤ 50%)；kobs/SBET = 7.57 × (C-O+C=O) – 19.14 × (-COOH) + 1.16)。同时，借助密度泛函理论计算探究了相应的催化机理，氧掺杂g-C3N4中的O原子作为富电子中心可增强臭氧的吸附，进而促进臭氧分解产生活性氧物种。研究为深入理解碳材料不同含氧官能团在催化臭氧氧化中的作用以及发展高效臭氧氧化催化剂提供理论支持。
研究成果以“Roles of oxygen-containing functional groups of O-doped g-C3N4 in catalytic ozonation: Quantitative relationship and first-principles investigation”为题在线发表于环境催化领域知名学术期刊Applied Catalysis B: Environmental (https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2021.120155)。论文第一作者为博士生张静，通讯作者为单超副教授，共同作者包括硕士生辛勃、张炜铭教授、Dionysios D. Dionysiou教授(美国辛辛那提大学)、潘丙才教授。南京大学高性能计算中心为研究的理论计算提供了机时。研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金以及中央高校基本科研业务费的资助。
