1. 研究背景
随着工业废水中有机染料（如罗丹明B）的排放对水环境和生态系统的威胁日益加剧，开发高效、低成本的水处理技术成为环境修复的重要课题。传统的高级氧化过程（AOPs）依赖贵金属催化剂（如Pt、Pd），但成本高且资源稀缺。钴（Co）基催化剂因其高活性和低成本成为替代选择，但其制备过程常存在能耗高、颗粒易聚集、循环稳定性差等问题。此外，碳材料作为载体可提升催化性能，但传统碳基材料与纳米催化剂的界面相容性不足，导致原子利用率低。
2. 关键问题
传统催化剂的局限性：制备时间长（需数小时高温煅烧）、钴纳米颗粒分布不均、易团聚，导致活性位点减少。
循环稳定性差：反应中间产物在催化剂表面吸附，导致活性位点堵塞，循环次数受限（通常<10次）。
能耗与成本：传统方法能耗高，且依赖复杂合成工艺，难以规模化应用。
3. 核心创新点
高温热冲击（HTS）快速合成：利用焦耳加热设备在2秒内实现1000 K高温处理，将钴盐快速转化为均匀分散的Co纳米颗粒（NPs）并锚定在碳化木材（CW）表面。
碳化木材载体优势：木材的多孔结构提供高比表面积和垂直排列的通道，促进液体传输和活性位点暴露。
“失活-再生”策略：通过1900 K二次热冲击将失活催化剂表面吸附的中间产物碳化为石墨层，恢复活性，循环次数提升至20次。
4. 研究方法重点
焦耳加热技术：采用高电流脉冲（12 A，2 ms）驱动焦耳加热设备，实现瞬时高温（1000 K），使钴盐快速分解并形成均匀Co NPs（直径≈50 nm）。
碳化木材制备：木材经两步碳化（260°C预碳化，1000°C主碳化）形成多孔CW基底。
动态降解实验：构建连续流动过滤器，通过串联多个CW催化剂层，验证其在动态水流中的降解性能（20 mL min⁻¹流速下持续2小时，去除率>90%）。
5. 图片内容概述
图1：
HTS法与传统管式炉法的对比，显示HTS法合成的Co NPs更小且分布均匀。
图2：
Co@CW的SEM/TEM图像，展示木材的多孔通道结构及Co NPs的均匀负载；XRD和XPS分析确认Co的金属态及表面氧化态。
图3：
RhB降解动力学及自由基机制，EPR实验证明单线态氧（¹O₂）是主要活性物种。
图4
催化剂再生过程的SEM/TEM对比，显示Co NPs经热冲击后恢复球形结构，循环20次仍保持高效。
图5：
连续过滤装置及动态降解性能，10层催化剂在25 mg L⁻¹ RhB中实现99.21%去除率。
6. 文章结论
高效催化性能：Co@CW-1000 K在10分钟内对25 mg L⁻¹ RhB的去除率达99%，速率常数（0.5563 min⁻¹）显著高于传统方法。
优异循环稳定性：通过HTS再生策略，催化剂循环20次后效率仍>90%。
实际应用潜力：基于焦耳加热的快速合成、低能耗工艺及可再生木材载体，该催化剂在水处理、电催化转化等领域具有广阔前景。
7. 理解与评价
本文通过焦耳加热设备实现了“快速合成-再生”一体化策略，突破传统催化剂制备的瓶颈：
时间与能耗优化：2秒高温冲击取代数小时煅烧，大幅降低能耗。
界面工程：木材的天然多孔结构与Co NPs强锚定，减少颗粒聚集，提升原子利用率。
动态适配性：连续过滤器设计验证了实际水流条件下的可行性，为规模化应用提供参考。
