在ZIF-8中固定的环境适应性Fe/Pd双金属催化剂，通过PMS的双途径激活作用高效降解磺胺二甲嘧啶

高效降解磺胺嘧啶的Fe/Pd@ZIF-8催化剂设计及其作用机理研究。该催化剂通过ZIF-8载体负载Fe/Pd实现协同催化，30分钟内SDZ降解率达96.7%，TOC去除77%。EPR证实主导活性物种为硫酸根自由基（SO4•?）和超氧阴离子（O2•?），DFT和LC-MS分析揭示了SDZ分子结构弱化机制及四条降解路径。经三次循环使用后SDZ降解效率保持71.5%，验证了催化剂的高稳定性。该体系在多种有机污染物（如双酚A、氯酚、氧氟沙星）降解中均表现优异，并发现部分中间产物存在生态风险。

　　本研究聚焦于一种新型的双金属催化剂Fe/Pd@ZIF-8，用于过一硫酸盐（PMS）的活化，从而实现对磺胺嘧啶（SDZ）等抗生素污染物的有效降解。该催化剂通过在ZIF-8载体上协同负载微量的钯（Pd）和铁（Fe）纳米颗粒，实现了高效PMS活化，同时显著降低了贵金属的使用量。实验结果显示，在30分钟内，SDZ的去除率达到96.7%，总有机碳（TOC）的去除率高达77%。通过淬灭实验和电子自旋共振（EPR）分析，研究人员确认了羟基自由基（1O?）和硫酸根自由基（SO?•?）是该氧化降解过程中起主导作用的活性物质。这一发现不仅验证了Fe/Pd@ZIF-8催化剂的高效性，也揭示了其在实际水体中的广泛应用潜力。

抗生素因其高极性和生物活性，广泛应用于医疗、农业和工业领域，导致其在环境中大量残留。这些残留物对生态系统和人类健康构成了潜在威胁，尤其是在城市污水处理厂的进水中，SDZ的浓度常常是最高的。然而，传统的生物处理技术，如人工湿地、活性污泥和生物膜等，对抗生素的去除效率有限。因此，开发高效且可持续的处理技术成为解决抗生素污染的关键。

在众多高级氧化工艺（AOPs）中，PMS活化因其高氧化还原电位（2.5–3.1 V）而备受关注。与传统的Fenton和臭氧体系相比，PMS活化在中性或碱性条件下仍能保持强大的氧化能力，且具有高稳定性、操作简便和成本低廉等优势。这使得PMS活化成为处理复杂有机污染物的有力工具。然而，PMS的活化方法多种多样，包括热能、紫外光、超声波和过渡金属催化等。其中，铁基催化剂因其低毒性、环境兼容性和成本效益而被广泛研究，尤其是纳米零价铁（nZVI）。nZVI具有强还原能力和电子转移能力，常用于PMS活化系统中以促进有机污染物的降解。

尽管nZVI在PMS活化中表现出良好的性能，但其高反应活性也带来了诸多问题。例如，在空气中暴露时，nZVI容易被氧化，表面形成铁氧化物和氢氧化物的钝化层，导致其快速失活和催化性能下降。此外，nZVI的颗粒容易发生团聚，进一步削弱其催化效率。因此，提升nZVI的物理化学性质和稳定性成为当前研究的重点之一。通过引入其他金属或共催化剂，可以改善nZVI的结构，提高其抗氧化能力和抗团聚性能，从而延长其使用寿命并增强催化活性。

在这一背景下，研究者探索了双金属催化剂的应用，发现其催化活性和稳定性均优于单一金属催化剂。双金属催化剂中，两种金属之间的强界面相互作用、协同效应和高效的电子转移机制是其性能提升的关键。例如，Pd与Fe之间的电子相互作用不仅促进了电子从铁核心向污染物的转移，还使Pd能够作为高效的加氢催化剂，促进H?的解离并生成原子氢（H*）。此外，Pd对酸性和氧化性环境具有良好的耐受性，能够在强氧化条件下保持高效的电子转移能力，这一特性在非贵金属中较为罕见。

基于上述优势，ZIF-8作为一种金属有机框架（MOF）材料，被选作催化剂载体。ZIF-8由锌离子和2-甲基咪唑配体组成，具有高比表面积和丰富的孔隙结构，为催化反应提供了理想的微环境。同时，咪唑配体具有较强的配位能力，能够有效锚定和均匀分散Fe和Pd纳米颗粒，从而防止纳米颗粒的团聚并提高催化剂的稳定性。此外，ZIF-8载体还赋予了催化剂更高的可重复使用性，使其在实际应用中更具优势。

为了进一步验证Fe/Pd@ZIF-8催化剂的性能，研究者通过化学合成方法制备了该复合催化剂，并采用先进的分析技术对其形貌、结构和元素组成进行了表征。扫描电子显微镜（SEM）结果显示，ZIF-8晶体呈现出规则的十二面体形态，具有高度的空间对称性。在Fe/Pd@ZIF-8复合催化剂中，nZVI颗粒被均匀负载于ZIF-8表面，形成了稳定的结构。透射电子显微镜（TEM）图像进一步表明，未经修饰的nZVI颗粒通常呈现出典型的核壳结构，并倾向于形成链状聚集体，而Fe/Pd@ZIF-8复合催化剂中的nZVI颗粒则表现出更好的分散性和结构稳定性。

为了深入了解Fe/Pd@ZIF-8/PMS体系中活性物质的种类和作用机制，研究者进行了系列的自由基捕获实验和EPR测试。实验中使用了甲醇（MeOH）、叔丁醇（TBA）、L-组氨酸（L-His）和对苯醌（p-BQ）等典型的自由基捕获剂，以选择性地去除特定的活性氧物种（ROS）。结果表明，1O?和SO?•?是该体系中起主导作用的活性物质，而其他可能的自由基（如羟基自由基•OH）对SDZ的降解贡献较小。这一发现为理解催化剂的作用机制提供了重要依据，并有助于优化其性能。

除了对SDZ的高效降解，Fe/Pd@ZIF-8/PMS体系还表现出对多种有机污染物的广谱降解能力。例如，在实际水样中，该体系对双酚A的去除效率达到96.4%，对2,4-二氯苯酚的去除效率为83.0%，对氧氟沙星的去除效率高达97.6%。这些结果表明，该催化剂不仅适用于特定污染物的处理，还具有良好的环境适应性，能够应对复杂水体中的多种污染物。此外，经过三次连续循环使用后，SDZ的去除效率仍保持在71.5%，进一步证明了Fe/Pd@ZIF-8的稳定性和可重复使用性。

在反应路径方面，研究者通过密度泛函理论（DFT）和液相色谱-质谱联用（LC-MS）分析，识别了SDZ的脆弱位点，并提出了四种可能的降解路径。这些路径不仅揭示了污染物在催化体系中的分解机制，也为后续的环境风险评估提供了理论支持。同时，通过ECOSAR预测模型，研究者评估了部分中间产物的潜在生态风险，强调了在实际应用中需要关注污染物降解过程中可能产生的副产物及其对环境的影响。

综上所述，本研究开发的Fe/Pd@ZIF-8催化剂在PMS活化方面表现出优异的性能，不仅实现了对SDZ的高效去除，还展示了对多种有机污染物的广谱降解能力。其结构稳定性、可重复使用性和环境适应性为抗生素污染治理提供了新的思路和技术方案。此外，该研究通过系统的实验和理论分析，揭示了催化剂的作用机制，为未来催化剂的设计和优化奠定了基础。研究结果表明，Fe/Pd@ZIF-8在实际废水处理中具有广阔的应用前景，尤其是在抗生素污染控制方面，有望成为一种高效、经济且环保的解决方案。