第一作者：张竞哲

通讯作者：张海军、李发亮

通讯单位：武汉科技大学

论文 DOI：https://doi.org/10.1016/j.seppur.2026.137199

一、全文速览

武汉科技大学张海军教授、李发亮副教授团队牵头，联合英国埃克塞特大学的研究人员，在微波诱导放电催化降解有机污染物领域取得重要突破。该团队开发了无外加电极的微波诱导放电催化（Electrode-free Microwave Induced Discharge）新方法，设计制备了碳纤维负载镍@碳纳米管复合催化剂（CF-Ni@CNTs），实现了对偶氮染料Reactive Red 2（RR2）的高效、可持续降解。该催化剂利用在碳布上原位生长的碳纳米管作为“放电电极”，通过碳纳米管纳米尖端产生的“避雷针效应”集中微波能量，激发强烈局部放电并产生大量羟基自由基，从而实现对RR2的高效降解。实验结果表明，该催化剂在75 min内可实现对浓度为100 mg·L^-1的RR2溶液的完全降解（100%去除率），总有机碳（TOC）矿化率达77.19%；即使经过20次循环使用后，催化剂对RR2的去除效率仍保持在98.31%以上，且催化剂的结构及成分仍保持稳定。该研究成果以“Electrode-free microwave discharge catalysis: Carbon cloth fibers-Ni@CNTs for efficient and sustainable reactive red 2 degradation”为题，发表在分离纯化领域国际知名期刊Separation and Purification Technology（SCI影响因子8.2）上，为工业染料废水处理提供了一种无电极、无金属污染且可规模化应用的绿色新技术。

二、背景介绍

合成染料在纺织、印刷和制药行业的广泛使用导致了严重的环境污染问题。当前，全球年产合成染料超过70万吨，其中约10-15%未经处理直接排入生态系统。Reactive Red 2（RR2）作为典型的偶氮染料，其稳定的偶氮键（-N=N-）和磺酸基团使其难以生物降解，且降解中间产物（如苯胺衍生物）具有生物累积性和潜在致癌风险。传统处理方法如物理吸附存在容量有限和二次污染问题，化学氧化易产生有毒副产物，生物法效率低下且对高浓度染料耐受性差。

微波液相放电技术（MLDT）作为一种新兴的高级氧化技术，通过微波电磁场与高压脉冲放电的协同作用产生羟基自由基（•OH）、超氧阴离子（•O₂-）和臭氧（O₃）等活性物种，在污染物降解方面具有广阔的应用前景。然而，传统的MLDT系统依赖外接金属电极产生等离子体，这些电极在高压脉冲和微波加热作用下易发生电化学腐蚀，导致金属离子浸出和放电效率下降，严重制约了实际应用。因此，开发一种无外加电极、无金属浸出且高效稳定的微波放电催化体系成为该领域的迫切需求。

三、研究出发点/本文亮点

1．提出“无外加电极”的微波放电新策略

该方法突破了传统微波液相放电对外加金属电极的依赖，利用CF-Ni@CNTs催化剂自身即可激发高强度微波诱导放电。催化剂采用碳布纤维（CF）为基底，在Ni纳米颗粒的催化下，通过化学气相沉积原位生长CNTs。碳布纤维的一维波浪形结构和高孔隙率有利于均匀放电和电子传输；CNTs丰富的导电纳米尖端会导致“避雷针效应”，聚集微波能量，形成局部高压放电区域，激发活性自由基；CNTs将Ni纳米颗粒包裹其中，与溶液隔离，从根本上消除了电极腐蚀和金属污染问题。

2．优异的降解性能与稳定性

在微波功率为700 W且pH为中性（约7）的条件下，CF-Ni@CNTs催化剂在75 min内可完全降解浓度为100 mg·L^-1的RR2溶液（100 mL），TOC去除率达77.19%，表明染料分子被深度矿化为CO₂和H₂O。催化剂经过20次循环使用后，RR2去除率仍保持在98.31%，结构完好，组成不变，且无显著Ni2+浸出，展现出优异的循环稳定性。

3．实用性强且具有规模化应用潜力

该方法可直接放大至连续流微波反应器，通过与工业废热集成进行工业废水预热，进一步提高能量利用效率。反应在中性条件下进行，无需添加化学氧化剂，操作简便，为工业染料废水处理提供了一种可持续的新技术。

四、图文解析

1. 设计思路：研究团队巧妙构建了“碳布纤维基底-Ni催化位点-CNTs放电尖端”的三级结构催化剂。首先通过浸渍法在碳纤维表面负载Ni²⁺，随后以聚乙烯为碳源，在10% H₂/Ar气氛中，经800 °C催化裂解反应后制备了CC-Ni@CNTs催化剂。XRD分析表明（图1(a)），CC-Ni@CNTs催化剂在44.5°和51.8°处出现了归属于金属Ni（111）和（200）晶面的特征衍射峰，表明Ni²⁺在热解过程中被成功还原为金属Ni纳米颗粒。N₂吸附-脱附等温线显示（图1(b)），CNTs的原位生长使催化剂的比表面积从原始碳布的0.47 m²·g^-1显著提升至4.23 m²·g^-1。原位生成的CNTs石墨化程度较高（IG/ID= 1.97，图1(c)-(d)）。SEM 表明碳布纤维表面生成了大量的CNTs（图2(a)-(c)），其直径约为20-30 nm（图2(d)），催化剂Ni金属颗粒被包裹在CNTs内部（图2(e)），CNTs均匀分布在碳布纤维表面（图2(a)-(c), 2(g)），有利于微波能量集中和活性自由基激发。

图1 CC-Ni@CNTs催化剂的物相组成、比表面积和石墨化程度表征结果

图2 CC-Ni@CNTs催化剂的微观结构表征结果

2. 微波诱导放电行为：CF-Ni@CNTs在2.45 GHz微波辐照下产生强烈的放电闪光，发射光谱覆盖了390-760 nm的可见光范围（图3(a)）。相比原始碳布，优化后的CF-Ni@CNTs放电强度提高约30%（图3(b)），放电面积几乎覆盖整个反应腔室。表面粗糙度分析表明，CNTs的原位生长显著增加了表面微结构突起和尖端密度（图3(c)-(d)），这有助于促进微波场下电子的富集与放电现象的发生。

图3 CC-Ni@CNTs催化剂的微波诱导放电光谱、放电强度和表面粗糙度表征

3. 高的降解性能：系统研究了Ni²⁺负载量（25-75 g·L^-1）（图4(a)）和聚乙烯粉热解温度（700-900 °C）（图4(b)）对RR2降解的影响。结果表明，在Ni²⁺浓度为50 g·L^-1且热解温度为800 °C时制备的催化剂展现出最佳综合性能（图4）。在该条件下，CNTs在碳布表面分布均匀，且石墨化程度高；而低的催化剂负载量会导致CNTs的覆盖不足，高的催化剂负载量又会导致无定形碳的积聚。将碳布分散为单根碳纤维（CF）后，放电强度和降解效率进一步提升（图5(a)-(b)），RR2在60分钟内即可完全去除（图5(c)-(d)），且TOC去除率达77.19%（图5(e)），表明RR2分子被深度矿化为CO₂和H₂O，而不是发色团的脱色断裂。

4. 优异的循环稳定性：即使经历20次循环后，催化剂的活性和选择性也只有轻微降低，RR2去除率仍高于98%，循环稳定性优异（图5(f)）。

图4 不同反应条件下制备的CC-Ni@CNTs催化剂微波诱导放电降解RR2性能和反应动力学拟合结果

图5 CC, CC-Ni@CNTs和CF-Ni@CNTs催化剂微波诱导放电降解RR2性能和CF-Ni@CNTs催化剂的循环性能

5. 出色的综合性能：与已报道的其它RR2降解方法对比，本工作中的微波诱导放电催化方法具有RR2降解效率高、反应设备简单、二次污染低、循环稳定强等显著优势，展现出广阔的实用前景（图6）。

图6 微波诱导放电催化方法与其它RR2降解方法的对比

6. 活性物种捕获实验与反应机理：通过自由基捕获实验证实羟基自由基（•OH）是降解RR2的主要活性物种（图7(a)）。UV-Vis光谱分析显示，随着反应进行，RR2分子在512 nm和538 nm处的偶氮键特征吸收峰以及281 nm和329 nm处的萘环和三嗪环结构吸收峰显著减弱，表明•OH攻击了这些关键官能团，导致染料分子逐步开环和矿化（图7(b-c)）。

图7 活性物种捕获实验、反应前后溶液UV结果及反应机理示意图

五、总结与展望

（1）首次提出了无外加电极的微波诱导放电催化降解有机污染物的新方法，从根本上解决了传统微波液相放电技术中金属电极腐蚀和金属离子浸出的难题，为有机污染物废水的处理提供了更加清洁、稳定的新技术。

（2）提出了“导电基底-金属纳米颗粒-碳纳米管尖端”复合催化剂设计新思路，通过原位CVD生长实现了CNTs在碳纤维上的均匀负载。该设计充分利用了镍纳米颗粒的微波响应与放电诱导性能，以及碳纳米管尖端的场增强与电荷聚集效应，显著提升了微波诱导放电的强度和污染物的降解效率。

（3）揭示了微波诱导放电“产生等离子体→生成活性自由基→降解有机污染物”的反应机制，证实羟基自由基是主要的活性物种。该技术具有操作简便、条件温和（中性pH）、效率高、催化剂可重复使用等优点，且反应规模易于放大，在工业染料废水处理领域具有广阔的应用前景。

六、文献信息

Jingzhe Zhang, Guodong Yang, Kenian Zhou, Hongzhang He, Zhihua Zhang, Shaowei Zhang, Yanan Wang, Faliang Li*, Haijun Zhang*, Electrode-free microwave discharge catalysis: Carbon cloth fibers-Ni@CNTs for efficient and sustainable reactive red 2 degradation. Separation and Purification Technology, 2026, 392: 137199.

https://doi.org/10.1016/j.seppur.2026.137199