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

所謂非均相臭氧催化劑，特指在催化反應體系中與臭氧（氣相或液相）及待處理水體（液相）處于不同物理相態的催化材料。它們通常以固體形態存在，通過與氣態或溶解態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建的非均相臭氧催化劑，它們各具特色，也各有挑戰：

1. 金屬氧化物基催化劑（如Al?O?、TiO?、MnO?、Fe?O?及其復合物）： 這類催化劑通常展現較高的本征催化活性和令人滿意的結構穩定性。然而，其規?；瘧贸Ｊ苤朴谫F金屬組分（如Pt、Ru）帶來的成本壓力。此外，部分金屬氧化物（如鐵氧化物）在復雜水質環境中易受共存陰離子（磷酸鹽、碳酸鹽）抑制或發生金屬離子溶出，不僅降低效率，還可能引發二次污染。

2. 分子篩基催化劑（如ZSM-5、Y型沸石負載金屬）： 分子篩憑借其規整的晶體結構與可調的孔道系統，提供了優異的熱穩定性和獨特的選擇性催化能力。但其合成工藝復雜且能耗高，導致整體成本居高不下。更關鍵的是，在水處理長期運行或極端條件下，其活性位點易被水中雜質覆蓋或骨架鋁流失，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出令人矚目的綜合優勢：

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

• 卓越的化學惰性： 在寬廣的pH范圍及氧化環境下，碳骨架展現出極強的耐受性，不易被反應介質腐蝕或破壞，保障了長期運行的可靠性。

• 可設計的孔道結構： 通過合成與活化工藝的精細調控（如調控活性炭的微孔/介孔比例、設計碳納米管陣列），能優化反應物傳質路徑與活性位點分布，從而定向提升催化性能。

• 環境友好屬性： 碳源廣泛（生物質、礦物），制備過程相對綠色，且廢棄碳材料環境風險較低，契合可持續發展理念。

• 突出的可循環性： 多數碳基催化劑可通過簡單熱處理、洗滌等方式有效再生，顯著降低運行成本與資源消耗。

綜合比較可見，以碳基材料為載體的非均相臭氧催化劑憑借其獨特的物理化學特性，在效能、穩定性、經濟性與環境友好性之間取得了更優的平衡，代表了當前的重要發展方向。

碳基催化劑的核心優勢源于其本征屬性。高比表面積構筑了高效的“反應平臺”；優異的導電性（如石墨烯載流子遷移率可達200,000 cm2·V?1·s?1）促進了電子轉移過程，加速了臭氧的活化；強大的化學穩定性則是持久作戰的基石。作為載體（如負載金屬納米顆粒）或本身作為活性催化劑（含氧官能團、結構缺陷亦可催化），碳材料能強力吸附富集水中痕量有機污染物，縮短其與活性物種的“距離”。更重要的是，它能高效促進臭氧分子在其表面發生鏈式分解反應（O? → O? + O；O + H?O → 2·OH），源源不斷產生高濃度的羥基自由基軍團，實現對污染物的深度礦化。

科力邇碳基臭氧催化劑

因此，非均相臭氧催化劑，特別是性能日益優化的碳基催化劑，已成為解鎖臭氧高級氧化技術全部潛能的關鍵鑰匙。它們通過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、更經濟、更綠色的水質深度凈化提供了強大的技術支撐，持續驅動水處理技術的革新。