金属掺杂Fe@MXene/CdS肖特基结光催化剂实现高效H2O2原位生成与TC自芬顿降解

本研究针对传统芬顿反应需外加H2O2且Fe3+/Fe2+循环效率受限的难题，开发了Fe@MXene/CdS复合光催化剂。通过构建肖特基结促进电荷分离，实现可见光下H2O2原位生成（355.24 μmol/L）与四环素高效降解（97.20%），为环境修复与能源转化提供新策略。

　　

当前全球面临环境恶化与能源短缺的双重危机，抗生素污染尤为突出。四环素（TC）作为典型难降解抗生素，其环境残留严重威胁生态安全。传统处理方法如生物降解效率低下，而高级氧化技术中的芬顿反应虽高效却存在明显缺陷：需持续添加H₂O₂作为氧化剂，且Fe²⁺/Fe³⁺循环受pH严格限制，反应后产生铁泥二次污染。与此同时，光催化技术虽能利用太阳能驱动反应，但普遍存在载流子复合率高、H₂O₂产率低等问题。如何整合两种技术的优势，开发高效稳定的污染治理系统成为研究热点。

西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室的研究团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表创新成果，通过精准设计Fe@MXene/CdS三元复合体系，成功构建自驱动芬顿-光催化协同系统。研究采用水热组装法制备复合材料，结合SEM、XRD等技术表征结构，通过降解实验与自由基捕获实验验证机制，最终实现H₂O₂原位生成与污染物高效降解的双重突破。

材料表征揭示结构优势
扫描电镜显示MXene经HF蚀刻后呈现独特的层状手风琴结构（图2a），而CdS纳米颗粒在MXene基底上均匀分布，有效抑制团聚（图2b）。X射线衍射证实Fe成功掺杂至MXene晶格，拉曼光谱显示CdS与MXene间形成强电子耦合。

催化性能显著提升
优化后的复合材料在可见光下H₂O₂产率达355.24 μmol/L，较纯CdS提升3.2倍。TC降解实验显示，Fe@MXene/CdS在120分钟内降解率达97.20%，速率常数k值为纯CdS的4.5倍。体系在pH 3-9范围内保持稳定，突破传统芬顿的pH限制。

机制解析与协同效应
研究表明：MXene的高导电性加速Fe³⁺/Fe²⁺循环（速率提升68%）；CdS导带电子通过肖特基结定向迁移至MXene，驱动O₂两电子还原生成H₂O₂；原位生成的H₂O₂立即被Fe²⁺激活产生·OH自由基，形成"生成-消耗"闭环系统。自由基捕获实验证实·O₂^-和·OH是主要活性物种。

该研究开创性地将MXene的电子调制能力、CdS的光响应特性与铁活性中心的芬顿功能有机结合，首次实现无需外加试剂的持续自芬顿过程。不仅为抗生素污染治理提供新方案，其H₂O₂原位生成机制对绿色能源开发具有启示意义。作者Jiao Chen等指出，该体系在抗菌、CO₂还原等领域的拓展应用将是未来研究方向。