2026年3月12日，河北工业大学廉菲课题组在《Separation and Purification Technology》期刊发表题为”Millisecond flash joule-heating for rapid synthesis of dual-site graphene catalysts toward enhanced Peroxymonosulfate activation in water decontamination”的研究论文。该研究以废弃咖啡渣为碳源，采用毫秒级闪蒸焦耳热（FJH）技术，在0.6秒内制备出Mn/N共负载闪蒸石墨烯催化剂。该催化剂具有核壳结构，Mn氧化物纳米颗粒（MnO/MnO₂）均匀分散在N掺杂石墨烯表面，可在30分钟内完全降解双酚A（BPA），且经过四次循环后仍保持69.5%的降解效率，展现了优异的催化活性和稳定性。
研究背景
1. 传统催化剂合成耗时耗能
现有高级氧化催化剂多采用湿化学法结合高温退火制备，耗时数小时至数天，溶剂用量大、能耗高，难以满足规模化生产需求。
2. 单一位点催化剂活性有限
单一活性位点催化剂难以同时协调PMS吸附、活化和产物脱附等多步过程，催化效率受限。
3. 金属纳米颗粒易团聚
传统方法制备的碳载金属纳米颗粒容易发生团聚，导致活性位点减少，催化性能下降。
4. 双位点催化剂协同效应
Mn与N共掺杂体系已被证实具有显著的协同效应，可同时激活自由基和非自由基路径，大幅提升催化效率。
研究方法
1. 闪蒸焦耳热（FJH）合成催化剂
将碳化咖啡渣与乙酰丙酮锰（C₁₅H₂₁MnO₆）和三聚氰胺（C₃H₆N₆）按质量比10:7:7干磨混合，装入石英管中，施加脉冲电压（110-170 V，脉冲持续时间0.6 s），利用样品自身电阻产生焦耳热，瞬时温度超过2400 K，升温/淬火速率达1500 K/s，一步完成石墨烯化、Mn氧化物形成和N掺杂。
图1：FJH 合成过程与材料形貌表征
2. 材料结构表征
采用透射电镜（TEM）、X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、拉曼光谱（Raman）和傅里叶红外光谱（FTIR）等手段系统表征催化剂的形貌、晶体结构、元素组成和化学状态。
3. 催化性能评价
以双酚A（BPA，10 mg/L）为目标污染物，在25°C、180 rpm条件下进行降解实验，通过HPLC检测BPA浓度变化，评价催化剂活化过氧单硫酸盐（PMS）的性能。
4. 机理研究
结合电子自旋共振（ESR）检测活性氧物种、淬灭实验定量各物种贡献、电化学测试验证电子转移路径，以及密度泛函理论（DFT）计算揭示PMS吸附活化机制。
研究结果
1. 电压调控实现纳米颗粒尺寸精确控制
随着脉冲电压从110 V增至130 V，MnOₓ纳米颗粒平均尺寸从340.0 ± 66.9 nm显著减小至37.1 ± 17.3 nm。130 V条件下制备的FG130具有最小的纳米颗粒尺寸和完整的核壳结构（碳层厚度约6.6 nm），表现出最优的催化性能。
2. FG130展现卓越的BPA降解性能
FG130在30分钟内实现BPA完全降解，表观速率常数kₒbₛ达0.1647 min⁻¹，分别是未负载催化剂、FG110、FG150和FG170的17.02、2.29、6.59和12.67倍。与已报道材料相比，FG130在无溶剂、毫秒级合成的条件下达到了相当的催化效率。
3. Mn与N协同激活自由基/非自由基双路径
ESR检测证实FG130/PMS体系产生SO₄•⁻、•OH、O₂•⁻和¹O₂。淬灭实验表明，自由基路径（SO₄•⁻ + •OH）贡献39.88%，非自由基路径（¹O₂）贡献30.74%。Mn氧化物主要驱动自由基路径，而N掺杂促进非自由基路径，双位点协同实现高效降解。
4. 催化剂具有良好的稳定性和可再生性
经过四次循环，FG130在30分钟内仍能降解69.5%的BPA，Mn离子浸出浓度低于0.73 mg/L，远低于中国污水综合排放标准（GB 8978-1996）。失活催化剂经二次FJH处理（100 V）后可有效再生，展现了优异的循环使用潜力。
展望
1. 拓展碳源与金属组合
可进一步探索其他废弃生物质（如秸秆、果壳）作为碳源，以及Fe、Co、Ni等其他过渡金属与N的共掺杂体系，开发更多高性能双位点催化剂。
2. 优化FJH工艺参数
系统研究脉冲电压、持续时间、升温速率等参数对催化剂结构和性能的影响规律，建立FJH合成-结构-性能的构效关系，实现催化剂的精准设计和可控制备。
3. 推进实际应用
开展中试放大研究，评估催化剂在实际废水处理中的长期运行稳定性和经济性，推动FJH技术在环境修复领域的工程化应用。
4. 深化机理研究
结合原位表征技术和多尺度模拟，深入揭示双位点协同催化机制，为设计更高效的PMS活化催化剂提供理论指导。
DOI：10.1016/j.seppur.2026.137579
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