新型MAX相Nb2AlC@生物炭双功能催化剂：基于Nb4+/Nb5+氧化还原开关的过一硫酸盐活化机制及抗生素/染料高效降解

本研究针对水体中难降解抗生素（如TC）和染料污染问题，开发了MAX相Nb2AlC@生物炭复合催化剂，通过Nb4+/Nb5+氧化还原循环激活过一硫酸盐（PMS），实现10分钟内92.5%的四环素降解率（速率0.259 min?1），揭示了自由基（SO4•?、•OH）与非自由基（1O2）协同作用机制，为水处理AOPs技术提供新策略。

　　

水体中抗生素和染料污染已成为全球环境治理的顽疾。四环素（TC）等抗生素因生物降解性差、易蓄积的特性，通过医疗废水、制药排放等途径持续侵入水生态系统，传统处理方法如膜分离或生物处理效率有限。更棘手的是，现有过一硫酸盐（PMS）活化技术依赖高能耗紫外辐射或贵金属催化剂，制约了实际应用。在此背景下，江南大学（原文Priority Academic Program Development of Jiangsu Higher Education Institutions关联）的研究团队独辟蹊径，将MAX相材料Nb₂AlC与生物炭（BC）复合，开发出兼具压电催化与PMS活化双功能的纳米催化剂，相关成果发表于《Journal of Water Process Engineering》。

研究采用水热法制备Nb₂AlC@BC复合材料，通过XRD、XPS等表征确认其晶体结构与表面化学性质，结合DFT计算解析Nb₂AlC的电子局域函数（ELF）和能带结构。降解实验系统考察pH、温度等参数影响，利用EPR和LC-MS追踪活性物种及中间产物。

催化剂特性
XRD显示Nb₂AlC@BC保留了MAX相特征峰（2θ=12.89°对应(002)晶面），BC的引入使比表面积提升至214.7 m²/g（BET结果）。XPS证实Nb⁴⁺/Nb⁵⁺氧化还原对的存在，DFT计算揭示Nb-3d轨道电子转移是PMS活化的关键。

降解性能
在pH=3、催化剂1.5 g/L条件下，10分钟内TC降解率达92.5%，速率常数0.259 min^?1，优于多数报道的Co基催化剂。体系对多种污染物（甲基橙、RhB等）均具广谱降解能力。

机制解析
EPR检测到SO₄^•?、•O₂^•?及¹O₂信号，淬灭实验表明非自由基途径贡献率达61.2%。LC-MS鉴定的TC降解中间体证实C-N键断裂是主要反应路径。

创新价值
该研究首次阐明MAX相材料在PMS活化中的Nb价态转换机制，生物炭的C=O基团与Nb₂AlC协同促进电子转移。催化剂在真实水体（河水、废水）中保持稳定，五次循环后效率仅下降7.3%，且机械应力可诱发压电效应进一步提升活性。

这项成果不仅为MAX相材料的环境应用开辟新方向，更通过"氧化还原开关+碳载体"的设计理念，为发展低能耗、高稳定性的水处理技术提供理论范式。正如Muhammad Adnan等作者指出，Nb₂AlC@BC的模块化特性可适配不同污染物体系，未来或可拓展至土壤修复与工业废水深度处理领域。