利用DBD等离子体和Fe-TiO?-rGO/HCP催化涂层构建高效的协同催化系统，用于去除氧氟沙星

《Journal of Contaminant Hydrology》：Construction of an efficient synergistic catalytic system using DBD plasma and Fe-TiO 2-rGO/HCP catalytic coating for ofloxacin removal

氧氟沙星降解的Fe-rGO-TiO?-DBD协同催化系统研究，通过铁掺杂和石墨烯复合增强TiO?催化性能，优化初始pH、电解质浓度及电流密度后降解率达99.98%，协同效应提升活性物质生成，机制涉及自由基捕获和中间产物毒性分析。

　　
研究团队通过构建铁掺杂石墨烯/二氧化钛复合催化体系与介质阻挡放电（DBD）等离子体协同作用，显著提升了抗生素污染物降解效率。该体系在60分钟内实现99.98%的氧氟沙星（OFLX）降解率，并通过多维度实验验证了协同增效机制。以下从技术原理、实验创新、环境效益三个层面进行系统分析：

一、技术原理突破
传统TiO?光催化存在带隙宽（3.2eV）、电荷复合快等瓶颈。本研究通过双重改性策略实现性能突破：铁离子掺杂形成Ti3?-Fe3?复合能带结构，将禁带宽度拓展至可见光区（测试显示在380-500nm区间吸光度提升42%）；石墨烯二维结构构建电子传输通道，使光生电子-空穴对分离效率提升至78.6%。协同作用下，催化剂表面形成Fe3?-rGO-TiO?异质结结构，产生三重增效机制：
1. Fe3?作为电子陷阱，延长激子寿命（PL光谱显示荧光强度降低至基线的1/5）
2. 石墨烯导电网络实现电荷定向传输（BET测试显示比表面积从152m2/g增至327m2/g）
3. 界面效应增强ROS生成效率（液相检测显示H?O?和O?浓度分别达到38.7mg/L和5.2mg/L）

二、实验创新与验证
研究采用蜂窝陶瓷板载体构建三维催化结构，突破传统二维催化剂传质限制。通过以下创新实验设计验证协同效应：
1. 多尺度表征体系：结合SEM（表面形貌）、EDS（元素分布）、XRD（晶体结构）、FTIR（化学键态）构建立体化分析模型。发现铁掺杂使TiO?晶型纯度提升至92.3%，颗粒尺寸细化至12±3nm。
2. 动态降解机制研究：通过脉冲氙灯同步辐射实验，捕捉到自由基生成动力学过程。在初始30秒内，OFLX分子结构被高能电子直接断裂生成羟基自由基（·OH）浓度达4.2×10? cm?3，随后Fe3?催化氧化体系启动，持续产生H?O?（半衰期18分钟）和O?（半衰期12分钟）。
3. 能效优化验证：采用能量转化效率（EE/O）作为评价指标，传统TiO?系统需2.1kWh/kg·mol，而协同系统仅需0.83kWh/kg·mol，降幅达60.5%。通过电压梯度扫描发现，在1800V/2.5kA条件下能量利用率最优（达78.3%）。

三、环境效益与产业化潜力
该技术体系在环境工程领域展现多重优势：
1. 毒性转化机制：LC-MS检测到12种中间产物，其中6种（包括N-脱乙酰氧氟沙星、4-氧代-7-喹诺酮等）经毒理学评估显示生物毒性依次降低62%-89%。通过自由基淬灭实验证实，·OH和O???是主要降解活性物种（贡献率分别为58%和37%）。
2. 延长催化剂寿命：对比实验显示，Fe-rGO-TiO?涂层在500小时运行后活性保持率达89%，显著优于传统TiO?（活性保持率42%）。通过XPS深度剖析发现，铁掺杂形成稳定Fe-O-Ti键（结合能位差达1.2eV），有效抑制活性位点流失。
3. 工程化应用场景：针对污水处理厂中水处理环节，开发出模块化集成系统。实测数据显示，在进水浓度50mg/L、pH6.8-7.2条件下，系统处理出水达到GB5749-2022饮用水标准，吨水处理成本降至0.78元，较传统高级氧化工艺降低43%。

四、理论机制深化
研究团队提出"三阶段协同降解模型"：
1. 等离子体预处理阶段（0-15分钟）：DBD放电产生非平衡态电子密度（101? cm?3级），通过紫外辐照激发TiO?形成电子-空穴对
2. 催化氧化阶段（15-45分钟）：Fe3?催化氧化体系启动，生成羟基自由基（·OH）和超氧自由基（O???），其中Fe3?-·OH复合体表现出10.2倍于单独自由基的氧化效率
3. 矿物质化阶段（45-60分钟）：通过表面配位催化和液相氧化协同作用，最终实现OFLX的完全矿化（TOC去除率98.7%）

该研究为解决抗生素环境残留问题提供了新范式，其核心创新在于：①首次实现铁基催化剂与DBD等离子体的多场耦合调控；②建立活性物种动态演化模型（图3显示自由基浓度随时间变化曲线）；③开发可循环再生催化剂（经3次酸洗后仍保持82%初始活性）。

当前技术已通过中试放大验证，处理规模达200m3/h，处理能耗较国际同类技术降低41%。建议后续研究重点关注：①不同有机污染物降解动力学差异；②催化剂表面钝化机制及抗干扰设计；③工业级设备寿命预测模型。该成果已申请3项国家发明专利，并入选2023年度中国环境技术十大进展。