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文献速递|河南农业大学CEJ:Fe/Cu-LDH修饰生物炭活化过一硫酸盐对磺胺类化合物的超快降解:界面催化驱动的多重活性氧物种

  • 2026-10-26 09:29:15
文献速递|河南农业大学CEJ:Fe/Cu-LDH修饰生物炭活化过一硫酸盐对磺胺类化合物的超快降解:界面催化驱动的多重活性氧物种
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第一作者:Yongfei Ma, Keyi Li

通讯作者:聂兆君 副教授/刘红恩 教授

通讯单位:河南农业大学资源与环境学院

DOI:10.1016/j.cej.2026.178435

全文速览

在本研究中,通过调节Fe/Cu摩尔比,成功优化合成了新型Fe/Cu层状双氢氧化物(Fe/Cu-LDH)修饰烟草秸秆生物炭(TBC)(Fe/Cu-LDH@TBC),以高效活化过一硫酸盐(PMS)降解磺胺类化合物(SAs)。在 Fe/Cu-LDH@TBC/PMS 体系中,99.0% 的磺胺甲噁唑 (SMX) 在 10 分钟内被降解,反应速率高达 0.427 min−1。表征结果与非共价键计算表明,Fe/Cu-LDH@TBC 上丰富的 −OH、C-O 双键和结构缺陷增强了其与 PMS 的结合亲和力,并倾向于在其界面催化 PMS。这些特殊的富电子结构和生成的 Fe(II)/Cu(I) 能够断开 PMS 的 O-O 键,产生表面结合的自由基、1O2 并进行电子转移。这种界面氧化机制保证了其对 pH 范围和共存无机/有机化学物质的高耐受性。此外,Fe/Cu-LDH@TBC 上的丰富富电子结构能够促进 Fe(II)/Fe(III) 和 Cu(I)/Cu(II) 的氧化还原循环,而双金属价态转变进一步加速了这一过程。通过密度泛函理论(DFT)计算获得的SMX中间体和脆弱位点,提出了四种主要降解途径,包括S-N键断裂、开环、羟基化和硝化反应。生态毒性评估表明,无论急性毒性还是慢性毒性,所有中间体的毒性均低于母体化合物,尽管其中部分中间体仍表现出不可忽视的慢性毒性。实际水样、循环试验、铁/铜离子溶解及广谱验证试验证实,Fe/Cu-LDH@TBC/PMS体系在长期应用和实际实施方面具有广阔前景。本研究为生物质废弃物的资源利用及水体中抗生素的降解做出了贡献。

图文摘要

引言

本研究旨在:(1) 通过优化Fe/Cu的摩尔比,制备一种用于PMS降解SAs的高效Fe/Cu-LDH与TBC复合催化剂(Fe/Cu-LDH@TBC);(2) 研究影响Fe/Cu-LDH@TBC/PMS体系中SAs降解性能的关键因素(如反应条件、水化学性质); (3) 通过结合淬灭实验、电子顺磁共振(EPR)信号、电化学测试、表征及密度泛函理论(DFT)计算,阐明参与SAs去除的主要活性氧(ROS)及其生成机制; (4) 结合已鉴定的中间体与DFT计算预测降解路径,并评估中间体的急性/慢性生态毒性;(5) 通过分析该体系在实际水体中对SAs的去除能力、可持续性、安全性及广谱特性,评估Fe/Cu-LDH@TBC/PMS体系的实际应用潜力。

同位素标记技术
图文导读

Fig. 1. SMX removal efficiency (a) and kinetic rate (kobs) (b) in different reaction systems ([SMX] = 2 mg/L, [PMS] = 1 mM, [catalyst] = 15 mg, V = 0.05 L, and T = 25 °C); Effects of Fe/Cu-LDH@TBC dosage ([Fe/Cu-LDH@TBC] = 5–25 mg, [PMS] = 1 mM) (c and d) and PMS concentration ([PMS] = 0.25–5 mM, [Fe/Cu-LDH@TBC] = 15 mg) (e and f) on SMX degradation efficiency and kinetic rate ([SMX] = 2 mg/L, V = 0.05 L, and T = 25 °C) by Fe/Cu-LDH@TBC/PMS system.

Fig. 2. The preparation of TBC and Fe/Cu-LDH functionalized TBC (a); The surface morphology of TBC (b), Fe/Cu-LDH functionalized TBC (c-e) and used Fe/Cu-LDH@TBC (f); The elemental mapping of Fe/Cu-LDH@TBC (g-j) and used Fe/Cu-LDH@TBC (m-p); The Map Sum Spectrum (k and q) and atomic ratio of elements (l and r) of Fe/Cu-LDH@TBC and used Fe/Cu-LDH@TBC; XRD patterns (s), pore structure (t), FTIR (u) and Raman spectrum (v) of TBC, Fe/Cu-LDH functionalized TBC and used Fe/Cu-LDH@TBC.

Fig. 3. XPS survey (a) and high resolution C 1 s (b) spectrum of TBC, Fe/Cu-LDH@TBC and used Fe/Cu-LDH@TBC; The high resolution Fe 2p (c) and Cu 2p (d) spectra of Fe/Cu-LDH@TBC and used Fe/Cu-LDH@TBC.

Fig. 4. The species of SMX (a) and zeta potential of Fe/Cu-LDH@TBC (b) at different pH; Effects of solution pH ([pH] = 3–11) (c), HA ([HA] = 0–10 mg/L) (d) and anionic concentrations ([Cl− (e), NO3− (f), HCO3− (g), and CO32− (h)] = 0–10 mM) on SMX degradation efficiency and kinetic rate by Fe/Cu-LDH@TBC/PMS system ([SMX] = 2 mg/L, [PMS] = 1 mM, [Fe/Cu-LDH@TBC] = 15 mg, V = 0.05 L, and T = 25 °C).

Fig. 5. The degradation performance of SMX in Fe/Cu-LDH@TBC/PMS system with addition of different scavengers (a); EPR spectra of H2O, PMS and Fe/Cu-LDH@TBC/PMS systems using DMPO for capturing SO4▪−/▪OH (b), O2▪− (c), and TEMP for capturing 1O2 (d); PMSO and PMSO2 concentrations in PMS and Fe/Cu-LDH@TBC/PMS systems (e); EIS curves of TBC and Fe/Cu-LDH@TBC (f); LSV curves of Fe/Cu-LDH@TBC, Fe/Cu-LDH@TBC + PMS, and Fe/Cu-LDH@TBC + PMS + SMX systems (g); The i-t curve of Fe/Cu-LDH@TBC with injection of PMS and SMX (h); The OCP of TBC and Fe/Cu-LDH@TBC with addition of PMS and SMX (i) ([PMS] = 1 mM, [Fe/Cu-LDH@TBC] = 15 mg, [PMSO] = 100 μM, V = 0.05 L, and T = 25 °C);
研究意义

通过共沉淀和热解法优化Fe/Cu的摩尔比,合成了Fe/Cu-LDH@TBC新型材料,该材料在广谱降解磺胺类药物(五/六元环磺胺类)及其他抗生素方面表现出卓越的PMS催化能力。淬火、溶剂置换、PMSO 探针、EPR、电化学测试和 DFT 计算证实,在 Fe/Cu-LDH@TBC 的界面处发生了增强的共价键驱动的 PMS 吸附和活化,从而产生了表面结合的自由基、1O2 以及用于 SMX 分解的电子转移。这些界面氧化机制保证了 Fe/Cu-LDH@TBC/PMS 体系对 pH 范围和共存的无机/有机化学物质具有良好的抗干扰性,这一点已在实际水体实验中得到进一步验证。Fe/Cu-LDH@TBC 上的富电子 C-O 双键、-OH 基团和结构缺陷通过断裂 PMS 的 O-O 键直接参与了 PMS 的活化,此外,这些富电子结构还能促进 Fe(II)/Fe(III) 和 Cu(I)/Cu(II) 的氧化还原循环,而双金属的价态转变进一步加速了上述过程。此外,本研究承认催化剂构型设计在阐明 PMS 活化机制方面存在局限性,因为实际催化剂的界面非常复杂。通过鉴定生成的有毒物质和 SMX 的易受攻击的反应位点,提出了四种降解途径,尽管其中一些有毒物质仍表现出不可忽视的慢性毒性,但所有有毒物质的总体生态毒性均呈下降趋势。本研究为双金属-LDH 功能化生物炭触发的抗生素催化降解提供了新的见解,拓展了生物质废物的抗生素降解和资源利用。

文献信息
:

Yongfei Ma, Keyi Li, Feifei Zhang, Zhaojun Nie, Shiyu Qin, Haiyang Liu, Yupeng Zhang, Jiayang Xu, Zulin Zhang, Peng Zhao, Hongen Liu, Ultra-fast degradation of sulfonamides by Fe/Cu-LDH functionalized biochar activated peroxymonosulfate: Interfacial catalysis driven multiple reactive oxygen species, Chemical Engineering Journal, 2026, https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.178435

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