Fe/N掺杂生物炭负载氧化铁纳米簇通过增强双电子氧还原实现电芬顿系统高效降解抗生素

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Fe/N-doped Biochar with In-situ Grown Iron Oxide Nanoparticle Clusters for Efficient Antibiotic Degradation via Enhanced Two-electron Oxygen Reduction in Electro-Fenton Systems

本综述系统阐述了Fe/N共掺杂生物炭阴极在电芬顿（EF）系统中的创新应用。通过原位生长氧化铁纳米簇协同调控石墨化程度与电子云结构，显著提升双电子氧还原反应（2e- ORR）选择性，实现高效H2O2原位生成与抗生素降解。该材料兼具优异稳定性与低金属溶出特性，为可持续废水处理提供了新材料设计策略。

　　

Highlight

试剂与材料

所用化学试剂的详细信息见文本S1。

生物炭制备

生物炭以从中国山东省青岛市金海滩采集的浒苔为原料制备。为确保均质性，严格筛选健康、鲜绿的样本，排除任何腐烂或老化的生物质。所选浒苔经清洗后于80℃干燥2小时，研磨成粉末。将粉末放入方形坩埚中，在管式炉中于600℃、N₂氛围下加热2小时...

形态与结构表征

综合显微镜分析揭示了生物炭催化剂在不同阶段的显著形态演变。SEM图像显示EC、N/EC和Fe/N/EC之间存在明显的结构差异。EC表现出光滑表面和固有孔隙率（图1B），而尿素掺杂使N/EC转变为蓬松的多孔结构（图1C），这归因于热解过程中尿素的分解和碳骨架的重排[28]。值得注意的是，Fe的引入导致了独特的纳米粒子簇结构的形成，这显著增加了材料的比表面积和活性位点密度。

结论

本研究成功以浒苔为原料合成了Fe/N共掺杂氧化铁纳米簇催化剂（Fe/N/EC），并将其用作高性能阴极，在EF和BEF（生物电芬顿）系统中降解头孢曲松钠。具有石墨化特性和优化电子云结构分布的晶体纳米簇结构为Fe/N/EC提供了优异的ORR活性，并实现了选择性双电子反应路径，这对于EF系统中高效生成H₂O₂至关重要。