中國礦大馮培忠團隊：噴霧燃燒合成富氧空位中空多孔Ce???Ni?O?微球用于可見光驅動選礦廢水降解

隨著礦產資源開發和選礦工業的持續發展，礦物加工廢水中殘留浮選藥劑帶來的環境問題日益受到關注。黃藥類捕收劑是礦物浮選中應用最廣泛的有機藥劑之一，其中異丁基黃原酸鈉（SIBX）具有一定生物毒性和難降解特征，在氧化或酸性條件下還可能轉化為黃原酸、二硫化碳等更具危害性的副產物，對礦區水環境安全和生態治理造成潛在風險。傳統處理方法如吸附、電化學氧化和生物降解等，往往存在處理效率有限、運行成本較高或二次污染風險等問題。因此，開發高效、低成本、可見光響應的光催化材料，對于實現選礦廢水綠色治理具有重要意義。

CeO? 由于具有可逆 Ce3?/Ce??氧化還原循環和優異的儲放氧能力，被認為是一類具有潛力的氧化物光催化材料。然而，傳統 CeO? 仍存在可見光吸收不足、光生載流子易復合、界面 O? 活化效率低等問題，限制了其在有機污染物深度降解中的應用。如何通過結構設計、缺陷工程和界面電子調控協同提升 CeO? 的可見光催化活性，成為該領域的重要研究方向。

圖1.噴霧溶液燃燒合成 Ce?.??Ni?.??O? 中空多孔微球及結構分析

針對上述問題，中國礦業大學馮培忠教授團隊研究人員采用一步噴霧溶液燃燒合成法（SSCS），構筑了具有分級多孔中空結構和富氧空位表面的 Ce???Ni?O? 微球。該方法將前驅體溶液霧化為微米級液滴，使每一個液滴在高溫區內充當獨立“微反應器”，在瞬時燃燒、氣體快速釋放和快速淬冷過程中，同步實現 Ni 均勻摻雜、氧空位生成和中空多孔結構構筑。該策略將前驅體溶液霧化為微米級液滴，使每一個液滴在高溫區內充當獨立“微反應器”。在瞬時燃燒、氣體快速釋放和快速淬冷的協同作用下，材料實現了 Ni 均勻摻雜、氧空位生成和分級多孔中空結構構筑的同步調控。

圖2.中空多孔微球的形貌及元素分布

研究結果表明， Ce?.??Ni?.??O?形成了較均勻的中空多孔微球結構，比表面積達到 94.244 m2 g?1。分級孔結構有利于提高污染物分子的擴散效率，暴露更多表面活性位點，并縮短光生載流子的遷移路徑。在光催化性能方面，短時間內在可見光照射下具有對SIBX的較高降解效率，同時表現出較高的 TOC 去除效率，并且在多次使用后仍保持較高降解效率，具有良好的光催化穩定性和重復使用潛力。

圖3.可見光催化降解SIBX 的界面 O? 活化機制

該研究以題為“Spray-combustion-derived hierarchically porous hollow Ce???Ni?O? microspheres with oxygen-vacancy-rich surfaces for interfacial O? activation and visible-light xanthate degradation”發表在國際表面科學與材料化學領域著名期刊Applied Surface Science上，河南省科學院商智超博士為第一作者，中國礦業大學王曉虹副教授、馮培忠教授及臺州學院張嫚講師為共同通訊作者。

主要創新點：

• 采用一步噴霧溶液燃燒合成法構筑富氧空位 Ce???Ni?O? 中空多孔微球，實現 Ni 均勻摻雜、分級成孔和缺陷生成的同步調控。

• 構建了“中空分級孔結構-富氧空位表面-界面O? 活化”協同機制，顯著提升可見光條件下 SIBX 降解效率。

• 揭示了 Ni 摻雜促進電子遷移和O? 吸附活化的內在機制。

• 在可見光照射 100 min 內實現 94.90% SIBX 降解，并表現出較高 TOC 去除效率和良好循環穩定性，為黃藥類選礦廢水綠色處理提供了新的材料設計思路。

作者介紹：

馮培忠，工學博士，中國礦業大學二級教授，博士生導師，材料與物理學院院長，兼任教育部高等學校材料類專業教學指導委員會委員，中國材料研究學會理事、中國有色金屬學會理事，中國硅酸鹽學會礦物材料分會理事、中國材料研究學會多孔材料分會理事、中國金屬學會粉末冶金分會理事和冶金固廢資源利用分會理事。英國利物浦大學國家公派訪問學者，主持國家自然科學基金青年項目、面上項目、重點國際（地區）合作研究項目以及教育部博士點基金、江蘇省自然科學基金、中國博士后科學基金特別資助和江蘇省高等教育教改研究課題、江蘇省研究生教育教學改革研究課題等項目，在國內外期刊上發表論文 150 余篇，授權國家發明專利10 余項。以第一完成人榮獲全國煤炭教育優秀研究成果獎、江蘇省科學技術獎、江蘇省研究生教育改革成果獎等獎勵。擔任波蘭國家科學基金評委，兼任瑞典呂勒奧理工大學博士生合作導師。

王曉虹，博士，中國礦業大學副教授、碩士生導師。美國普渡大學訪問學者。主要從事自蔓延高溫合成、燃燒合成及陶瓷表面金屬化等研究，主持國家自然科學基金等項目，在Metallurgical and Materials Transactions A、Applied Surface Science、Acta Metallurgica Sinica (English Letters)、Ceramics International、材料熱處理學報等期刊上發表學術論文30余篇，授權發明專利十余件。先后獲教育部科技進步二等獎、江蘇省科學技術三等獎，多次獲江蘇省高校微課教學比賽一等獎及校百佳本科優秀教師等榮譽。

張嫚，臺州學院材料科學與工程學院講師，畢業于中國礦業大學，獲國家留學基金委（CSC）公派資助，在德國萊布尼茨新材料研究所（INM）聯合培養。主要從事（可新能源材料、電化學儲能、界面缺陷、儲能機制等）領域的研究。主持科技成果轉化項目1項，參與國家自然基金3項；發表SCI論文19篇，其中以第一作者/共同通訊發表SCI論文9篇。

商智超，中國礦業大學與新南威爾士大學聯合培養工學博士，師從馮培忠教授，長期從事燃燒合成多孔A1系金屬間化合物、脫合金構筑微/納跨尺度連通孔結構、超高溫抗氧化涂層、超細納米氧化物制備以及潔凈煤/固廢資源化等研究工作。以第一/共一/通訊作者在Corrosion Science, Separation and Purification Technology, Applied Surface Science等重要期刊發表SCI論文20余篇;申請國家發明專利11項(已授權3項);先后主持河南省科技研發聯合基金項目、河南省國際科技合作項目、江蘇省研究生科研與實踐創新計劃項目，參加國家自然科學基金重點國際（地區）合作研究項目；獲第七屆亞洲粉末冶金國際會議(APMA2025)青年論文獎、2024和2025年度江蘇省材料學會優秀科研論文一等獎；目前擔任《粉末冶金材料科學與工程》、《粉末冶金技術》和《Extreme Materials》期刊青年編委。

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝論文作者團隊支持。

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