CuFe?O?/MXene复合材料中的界面电荷调制：增强过硫酸盐的活化效果并有效降解磷酸氯喹

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Interfacial charge modulation in CuFe 2O 4/MXene composites: enhancing persulfate activation and efficient degradation of chloroquine phosphate

氯喹磷酸盐高效降解及机理研究：通过静电自组装构建CuFe?O?/MXene异质界面，显著提升PMS活化效率，60分钟内实现97%的40 mg·L?1 CQ去除率，循环稳定性优异。机理研究表明反应以电子转移为主，伴随1??自由基协同作用，DFT计算证实异质界面增强了PMS吸附与金属d轨道与O?/S?p轨道耦合，表面电荷调控策略为PMS活化提供了新思路。

　　在当前的水处理技术中，药物废水的深度处理是一个重要而紧迫的课题。这类废水通常含有多种难以降解的有机污染物，其中氯喹磷酸盐（CQ）因其毒性及致畸性而受到广泛关注。CQ在自然环境中具有较强的稳定性，传统处理方法如活性炭吸附、生物降解和物理化学氧化等往往难以有效去除，甚至可能造成二次污染。因此，开发一种高效、环保且可持续的处理技术成为研究的重点。本文聚焦于一种基于过硫酸盐（PMS）的高级氧化过程，通过构建一种新型的异质界面来提高PMS的激活效率，从而实现对CQ的有效降解。

PMS作为近年来备受关注的氧化剂，具有较高的氧化能力，能够通过自由基和非自由基途径降解有机污染物。然而，在实际应用中，PMS的激活过程受到多种因素的限制，其中界面电子传递速率是一个关键瓶颈。由于电子在催化剂表面的迁移速度较慢，导致PMS的激活效率不高，进而影响整个降解过程的效率。为了克服这一问题，研究人员尝试通过调整催化剂的表面特性，增强电子的传输能力，从而提升PMS的激活效果。

本文提出了一种基于静电自组装技术构建CuFe?O?/MXene异质界面的方法。该方法通过调控催化剂表面的电荷分布，不仅提高了PMS的吸附能力，还促进了电子在催化剂与PMS之间的快速传递。CuFe?O?是一种具有丰富氧化还原活性中心的金属氧化物，其内部的Cu2?/Cu?和Fe3?/Fe2?氧化还原对能够持续生成氧化性物质，如硫酸根自由基（SO?•?）和羟基自由基（•OH），从而增强对有机污染物的降解能力。MXene作为一种二维材料，具有优异的导电性和丰富的表面官能团，能够有效促进电子的迁移，并维持PMS的高效激活。通过将CuFe?O?与MXene结合，构建了具有可调界面电荷分布和连续电子传输通道的复合催化剂，显著提高了PMS的激活效率。

实验结果显示，该复合催化剂在40 mg·L?1的CQ浓度下，能够在60分钟内实现高达97%的去除率，并且在连续5次循环后仍能保持超过80%的活性。这表明该催化剂不仅具有较高的降解效率，还表现出良好的稳定性和重复使用性。此外，该催化剂在不同pH值、共存阴离子以及实际水样中均表现出稳定的性能，适用于多种复杂水环境。在低浓度（1-3 mg·L?1）的CQ体系中，该催化剂在1分钟内就能实现超过98%的去除率，进一步验证了其在实际水处理中的应用潜力。

从反应机制来看，该复合催化剂的降解过程主要依赖于电子转移，并伴有1O?（单线态氧）的参与。通过猝灭实验和电子顺磁共振（EPR）分析，研究人员发现，该体系中非自由基物种1O?是主要的活性成分，而自由基则起到辅助作用。这说明该催化剂在激活PMS的过程中，不仅依赖于传统的自由基路径，还能够通过非自由基机制实现更高效的降解。此外，利用液相色谱-质谱（LC-MS）和ECOSAR模型对中间产物的生态毒性进行了评估，结果显示中间产物的毒性低于其母体物质，表明该降解过程具有较低的环境风险。

在理论层面，密度泛函理论（DFT）计算进一步揭示了该异质界面在PMS激活中的作用。计算结果表明，该复合催化剂能够提高PMS在费米能级附近的态密度，增强金属d轨道与PMS中氧2p和硫3p轨道之间的耦合，从而促进PMS的吸附和激活。这种电子结构的优化不仅提高了催化剂的活性，还增强了其在复杂水环境中的适应性。

此外，该研究还强调了界面工程在水处理技术中的重要性。通过调控催化剂表面的电荷分布，可以有效改善电子的迁移路径，从而提升PMS的激活效率。这种方法不仅适用于CQ的去除，还可以推广到其他有机污染物的处理，为实际水处理提供了一种可行的策略。随着对水污染问题的深入研究，越来越多的科研人员开始关注如何通过材料设计和界面调控来提升氧化反应的效率和可持续性。

该研究的意义不仅在于解决了CuFe?O?在PMS激活过程中电子传递效率低的问题，还为其他类似催化剂的设计提供了新的思路。MXene的引入使得CuFe?O?的氧化还原循环更加高效，同时通过其优异的导电性维持了PMS的持续激活。这种异质界面的构建不仅提高了催化剂的性能，还拓展了其在实际水处理中的应用范围。未来，随着对催化剂性能的进一步优化和对水处理技术的深入探索，这种基于界面调控的催化策略有望在更大范围内得到应用，为实现绿色、高效、可持续的水处理提供支持。

在实验方法方面，该研究采用了多种表征手段来验证复合催化剂的结构和性能。X射线衍射（XRD）分析显示，CuFe?O?具有典型的尖晶石结构，其特征衍射峰位于35.5°和38.5°，分别对应（311）和（400）晶面。这表明CuFe?O?的晶体结构在复合过程中得到了良好的保持。MXene的XRD图谱则显示出在9.5°、19.0°、33.9°、38.6°和41.6°处的明显峰，对应于其（002）、（004）、（101）、（104）和（105）晶面，进一步确认了MXene的成功引入。通过这些表征手段，研究人员能够全面了解复合催化剂的物理和化学特性，为其后续性能评估和机制研究奠定了基础。

在实际应用中，该复合催化剂表现出良好的适应性和稳定性。实验表明，其在不同pH条件下均能保持较高的降解效率，这使得该催化剂在实际水处理过程中具有更广泛的应用前景。此外，该催化剂对常见阴离子（如Cl?、SO?2?等）具有较强的抗干扰能力，能够在复杂水样中维持高效的降解性能。这一特性对于实际水处理系统尤为重要，因为实际水样中往往含有多种干扰物质，而催化剂的稳定性直接影响其处理效果。

在降解效率方面，该复合催化剂在60分钟内实现了对CQ的高去除率，表明其具有较快的反应速度。同时，该催化剂在多次循环后仍能保持较高的活性，这说明其在实际应用中具有良好的重复使用性。这种高效、稳定、可持续的特性使得该催化剂在药物废水处理中具有重要的应用价值。特别是在处理低浓度污染物时，该催化剂表现出卓越的性能，能够在短时间内实现几乎完全的去除，这为实际水处理提供了更加灵活和高效的解决方案。

从生态和环境的角度来看，该研究的成果具有重要的现实意义。通过LC-MS和ECOSAR模型对中间产物的毒性进行评估，研究人员发现这些中间产物的毒性低于母体物质，说明该降解过程在减少环境风险方面具有优势。这不仅有助于提高水处理的安全性，还能够为环境保护提供科学依据。此外，该催化剂的制备方法简单、成本较低，符合绿色化学和可持续发展的理念，为大规模应用提供了可能性。

在技术层面，该研究的创新点在于利用静电自组装技术构建异质界面，从而实现对PMS激活效率的提升。这种方法不仅能够有效调控催化剂表面的电荷分布，还能促进电子的快速传递，为提高催化剂的性能提供了新的途径。同时，该研究通过多种实验手段（如猝灭实验、EPR分析、DFT计算等）对反应机制进行了深入探讨，揭示了电子转移和1O?在降解过程中的重要作用，为后续研究提供了理论支持。

综上所述，本文提出了一种基于CuFe?O?/MXene异质界面的新型催化剂，通过静电自组装技术实现了对PMS的高效激活，从而显著提高了对CQ的降解效率。该催化剂不仅在实验室条件下表现出优异的性能，还具有良好的稳定性和重复使用性，适用于多种复杂水环境。研究结果表明，通过界面工程调控催化剂表面电荷分布，可以有效提升PMS的激活效率，为实际水处理技术的发展提供了新的思路和方法。未来，随着对催化剂性能的进一步优化和对水处理技术的深入探索，这种基于异质界面的催化策略有望在更大范围内得到应用，为实现绿色、高效、可持续的水处理提供支持。