第一作者：田文婕

通讯作者：田文婕/ Emiliano Cortés/王少彬

通讯单位：阿德莱德大学/慕尼黑大学

原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202500371

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本研究系统对比了8种天然植物生物质(包括二维片状和一维针状结构)，构建出系列N掺杂碳材料和钴/石墨碳复合材料，并用于过一硫酸盐(PMS )的类Fenton活化，提出了“结构-组分-性能”协同调控的新策略。

背景介绍

类Fenton催化反应在水处理等领域具有重要应用前景。生物质是一类廉价、可再生的碳源，但其复杂多变的天然结构在碳化后会显著影响催化剂的比表面积、活性位点分布及电子结构。尽管已有多种生物质衍生碳材料，但并没有研究报道系统揭示天然结构对材料性质的调控规律，尤其是针对从生物质到N掺杂及金属复合材料的制备，及其在PMS体系中的作用机制。

研究出发点

i).系统对比了多种天然植物来源的1D针状与2D片状结构，并追踪其热解后形成的碳材料差异。不同的生物质形状可能会影响其热解方式，不论是在N₂下还是Ar/NH₃ 下热解，1D 针状生物质制备的碳材料的C=O含量都明显低于2D片状生物质。

ii).在氨气气氛下制备的N掺杂碳材料形成高效PMS激活形成选择性电子转移机制，并构建结构  (sp² C/sp³ C, O 官能团, 缺陷程度，N 功能团，比表面积) 与催化性能的构效关系，并筛选出最佳氮掺杂碳材料及其生物质前驱体，为合理设计生物质基功能碳材料提供方向。

iii).引入Co颗粒形成石墨化碳复合材料，展现出硫酸根自由基主导的氧化路径，并构建其构效关系，以及筛选最适合构建这类复合材料的生物质。

图文解析

Figure 1. Material characterizations. a-d ) 2D flaky biomass images. e-h ) 1D acicular plant biomass images. Representative SEM images, HRTEM image, and AC HAADF-STEM images.

我们系统研究了一维 (1D )和二维 (2D )植物生物质结构对原始碳、氮掺杂碳及钴/石墨化碳材料性能的影响。选择了8种干燥植物，包含2D片状结构 (图1a-d，如花瓣等), 1D针状结构。(图1e-h，如种子绒毛, 花瓣等)。合成方案为：

1) N₂下900°C热解 → 制备原始无定形碳 (Ci, i=1-8)

2) Ar/NH₃ (5%) 下900°C热解 → 生成氮掺杂微孔碳 (NCi)

3) NH₃+硝酸钴900°C热解 → 合成钴纳米颗粒嵌入的石墨化碳 (Co-NCi)

4) N₂+硝酸钴 900°C热解 → 制备Co-Ci

材料特性: 1) 2D片状生物质衍生了块状不规则颗粒，表面褶皱；2) 1D针状生物质衍生单通道或者多孔道管状结构 3) 氮掺杂碳: NH₃热解引入氮元素和微孔，显著提升原始碳的催化活性; 4) 钴/石墨碳存在石墨碳(graphitic C ), Co@graphitic C 纳米颗粒和 痕量单原子Co

Scheme 1. Schematic illustration of the biomass sources and the impact on the physicochemical and catalytic properties of resulting carbon catalysts.

我们的研究发现，2D白玫瑰制备的催化剂比表面积优于彩色花朵。1D苦苣菜种子绒毛比2D片状或1D针状花朵更能制备高比表面积碳材料。苦苣菜种子绒毛制备的碳和氮掺杂的生物质碳，其性能优于其它生物质得到的同类型碳材料。对比实验显示: 1) 四种1D植物原料制备的Ci/NCi材料具有更低的表面C=O含量和独特管状结构; 2) 2D片状花 (特别是牵牛花)能使Co-NCi负载更多钴纳米颗粒。

Figure 4.Mechanism study by quenching experiments, electrochemical analysis, and EPR.

Scheme 2. Schematic illustration of the relationship between different factors and catalytic PMS activation for phenol degradation. The involved functional groups all relate to surface chemistry.

研究发现两种高效PMS活化路径:

• 管状NC6/PMS通过选择性非自由基电子转移实现90.5% TOC去除率。电子转移路径选择性的促进因素为: 高COOH含量 (1.65-2.45 at.%); 富N掺杂 (5.08-7.91 at.%); 管状结构&PMS吸附能力; 高比表面积&平衡电位。抑制因素为: 过量C=O (1.74-7.23 at.%)；高缺陷浓度。

因此，可以使用 氨气热解法实现生物质到表面氮掺杂碳材料的制备，并显著提升电子转移过程的选择性，而且1D生物质相比2D材料更易获得低羰基含量和管状结构，这对电子转移过程有利。

•Co-NC1/PMS通过硫酸根自由基主导机制达到66.7% TOC降解。石墨化Co-NCi材料的催化活性主要受以下因素调控: 关键促进因素为适度缺陷浓度；高N、O含量 (2.41-5.28 at.%)，丰富的含氧官能团 (C-O/COOH/C=O) 高钴负载量 (2.55-7.63 wt.%)。抑制因素为过高sp²杂化碳含量 (>75-80 at.%)。

总结与展望

植物原始结构的颜色、二维或一维形态会显著影响碳质催化剂的性能。自然界的精细结构差异，竟能如此精准地调控催化剂特性。这项研究为生物质碳材料设计提供了新的形态学思路。

课题组介绍

田文婕，现为阿德莱德大学Future Making Fellow。主要从事生物质转换、环境催化及能源转化研究。近年来以第一/通讯作者在Chem Soc Rev, Nat Commun, Adv Energ Mater, Adv Func Mater, Prog Mater Sci等期刊发表学术论文66余篇。曾获得澳大利亚研究理事会DECRA基金（2022-25）、Discovery基金等多个项目资助，Journal of Material Chemistry A 新锐科学家奖及《麻省理工科技评论》“三十五岁以下科技创新奖“。

王少彬，澳大利亚桂冠学者（ARC Laureate Fellow）,先后于1987和1990年获北京大学学士、硕士学位，1998年获澳大利亚昆士兰大学博士学位。曾被科廷大学授予John-Curtin杰出教授等称号，现任职于澳大利亚阿德莱德大学化工学院。主要研究领域和方向为纳米材料研制及在环境和能源转化上的应用，包括废水和废气的光催化处理、含硫氧化物催化降解、氮氧化合物降解、工业固废的转化利用、温室气体存储和转化利用、能源清洁转化和环境污染治理。在 Nature Water、Nature Reviews Clean Technology、Nature Communications、Chemical Reviews, Chemical Society Reviews, Angewandte Chemie-International Edition、Advanced Materials 等国际顶级期刊发表学术论文超过700篇，引用超过107,000次，h指数为180。2016-2022年先后入选科睿唯安工程、化学、环境及生态领域全球高被引学者。现担任Applied Catalysis B Environment and Energy, Journal of Colloid Interface Science, Chemical Engineering Journal Advances等国际期刊编辑。

有意向来课题组攻读博士学位者，欢迎将个人简历发送至邮箱：wenjie.tian@adelaide.edu.au

原文信息

Wenjie Tian,* Jingkai Lin, Zhihao Tian, Selusiwe Ncube, Huayang Zhang, Emiliano Cortés,* Hongqi Sun, and Shaobin Wang*, Biomass Native Structure into Functional Carbon-Based Catalysts for Fenton-Like Reactions, Adv. Funct. Mater. 2025, 2508759