通过Ni/Fe双锚定管状gC3N4作为过氧化单硫酸盐活化剂，揭示了利福平在水中降解过程的增强效应：深入探讨了降解机制、降解途径以及副产物的毒性评估

本研究成功制备了Ni/Fe双金属锚定的管状gC3N4纳米催化剂（Ni/Fe/T-gCN），显著提升了对环丙沙星（rifampicin）的降解效率，其动力学常数达4.88倍于单一催化剂。通过协同作用增强PMS活化，优化电子转移路径，并验证了催化剂的循环稳定性（6次循环后性能保持），同时提出降解中间产物及生态毒性评估方法。

　　这项研究提出了一种高效且稳定的策略，用于持续处理含有抗生素的废水。研究人员开发了一种新型的纳米催化剂——Ni/Fe双锚定的管状gC3N4（T-gCN）催化剂，该催化剂能够促进过一硫酸盐（PMS）的吸附与活化，从而实现对药物残留的有效降解。这项技术对于解决环境中的抗生素污染问题具有重要意义，尤其是在当前抗生素广泛使用和排放的背景下。

随着全球范围内工业生产规模的扩大和化学品的广泛应用，新兴污染物已经渗透到各种环境系统中。这些污染物对水体和土壤资源造成严重影响，直接破坏生态平衡并威胁人类健康。特别是在中国，研究人员在多个流域中检测到了抗生素残留，其浓度范围从纳克/升（ng/L）到微克/升（μg/L）。抗生素的长期存在导致了抗药性细菌和基因的产生，这对公共卫生构成了重大挑战。例如，2019年全球约有500万人因抗微生物感染而死亡，这凸显了抗生素污染问题的严重性。

在实际应用中，现有的废水处理技术如吸附、凝聚、臭氧氧化、生物降解、过滤和絮凝等，虽然在一定程度上可以去除抗生素残留，但它们无法彻底消除这些污染物，容易造成二次污染。因此，研究者们开始关注更先进的氧化技术，如光催化、基于光芬顿反应的纳米催化剂等。这些技术能够在太阳光照射下进行反应，具有较广的应用前景。然而，这些方法的局限性在于它们产生的自由基寿命较短，可见光响应能力有限，且电子的快速复合降低了其实际应用效果。

近年来，过一硫酸盐（PMS）的活化成为环境和化学领域的重要研究方向。PMS因其能够生成多种活性氧物种（ROSs），如硫酸根自由基（SO4•-）、羟基自由基（•OH）、超氧自由基（O2•-）和单线态氧（1O2），在废水处理中表现出卓越的性能。与过二硫酸盐（PDS）相比，PMS具有更长的超氧键（O-O键），并且其结构更加复杂，使其更容易被活化，从而在降解污染物方面具有更大的潜力。此外，基于硫酸根自由基的高级氧化工艺（SR-AOPs）因其高氧化还原电位（E0(SO4•-/SO4^2?) = 2.5–3.1 V_NHE）、长寿命（τ1/2 SO4•- = 30–40 μs）以及广泛的pH适用范围（2–8），在实际应用中被广泛采用。

然而，PMS的活化仍然面临一些挑战。例如，其活化速率较慢，以及催化剂与PMS之间电子传递路径的不畅，都会限制活性位点的利用效率。因此，设计一种能够促进PMS快速活化的催化剂显得尤为重要。在此背景下，研究者们开始探索使用过渡金属（如Fe、Co、Cu、Ni等）作为催化剂，以提高PMS的活化效率。过渡金属能够通过电子转移机制有效激活PMS，从而生成高活性的自由基。这种活化过程不仅能够在黑暗条件下进行，还能够减少反应过程中产生的毒性物质。

为了进一步提升催化剂的性能，研究人员引入了单原子催化剂（SACs）的概念。SACs具有最高的活性位点利用率，并且能够通过精确调控金属-配体配位环境，优化金属活性位点的吸附行为。Zhang等人的一项研究发现，负载在石墨碳氮（gCN）上的单原子铁催化剂能够高效活化PMS，生成具有100%选择性的单线态氧（1O2）。此外，多种金属活性位点的共存可以显著提高PMS的活化速率。这是因为不同金属原子之间的电子结构和配位环境差异，能够调整金属活性位点的d带中心，从而优化其对中间产物的吸附能力。

Ni和Fe的协同作用在PMS活化过程中尤为重要。Ni的氧化还原电位（Ni^2+/Ni^3+）与Fe的氧化还原电位（Fe^2+/Fe^3+）相结合，能够显著提升催化剂的性能。Ni/Fe SAC在PMS活化中的优势在于其丰富的资源和良好的稳定性。然而，在实际合成过程中，金属的高分散性仍然是一个挑战，因为金属容易发生聚集，从而降低其催化活性。此外，金属与载体之间的不稳定性可能导致金属的浸出，影响催化剂的长期使用效果。

为了解决这些问题，研究团队采用了一种改进的前驱体重构策略，成功制备了Ni/Fe双锚定的管状gCN（T-gCN）催化剂。T-gCN具有独特的空心管状结构，这种结构不仅增加了催化剂的比表面积，还提高了其与污染物的接触面积。通过这种结构设计，研究人员能够更有效地将Ni和Fe金属锚定在gCN的框架上，从而增强其对PMS的吸附和活化能力。此外，T-gCN的多孔结构也有助于提高金属的分散性，使其更充分地暴露在反应环境中。

在实验过程中，研究人员对Ni/Fe/T-gCN催化剂的性能进行了详细评估。结果表明，该催化剂在PMS活化过程中表现出显著的吸附和活化能力。通过紫外-可见漫反射（UV–vis DRS）和光致发光（PL）研究，研究人员观察到了带隙的移动和荧光淬灭现象，这表明Ni和Fe的引入增强了催化剂的电子转移能力。进一步的实验数据显示，使用Ni/Fe/T-gCN催化剂降解利福平（rifampicin）的伪一级动力学常数显著提高，达到T-gCN催化剂的4.88倍。这一结果可以归因于Ni/Fe双锚定位点对PMS的优化吸附模式，促进了电子在吸附的PMS复合物中的重新排列，并削弱了O-O键的拉伸作用。

此外，研究人员还对催化剂的可重复使用性和结构稳定性进行了测试。实验结果显示，该催化剂在六次连续循环后仍能保持较高的催化活性，这表明其具有良好的可重复使用性。同时，X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）分析进一步验证了催化剂在使用后的结构稳定性，表明其在多次反应后仍能保持原有的化学和物理特性。

为了评估该催化剂在实际废水处理中的应用效果，研究人员还使用了真实废水样本进行实验。结果表明，Ni/Fe/T-gCN催化剂在真实废水样本中能够有效降解利福平，显示出其在实际环境中的适用性。通过气相色谱-质谱（GC–MS）分析，研究人员确定了利福平降解的中间产物，并提出了一个合理的降解路径。这些中间产物的毒性评估使用了生态结构-活性关系（ECOSAR）工具和毒性估算软件（TEST），结果表明这些中间产物的毒性较低，对环境的影响较小。

综上所述，这项研究为开发高效、稳定的双金属锚定T-gCN催化剂提供了新的思路和策略。Ni/Fe/T-gCN催化剂不仅能够显著提高PMS的活化效率，还能在实际废水处理中表现出良好的性能。这种催化剂的设计和应用，有助于提高环境修复技术的效果，并为未来环境治理提供创新的解决方案。此外，该研究还强调了在实际应用中考虑催化剂的可重复使用性和结构稳定性的重要性，这将有助于推动环境修复技术的可持续发展。