二维石墨碳限定的Fe?O?阳极能够触发过氧单硫酸盐的非自由基活化反应，从而实现卡马西平的降解

《Journal of Hazardous Materials》：2D graphite carbon confined Fe 3O 4 anode triggering non-radical activation of peroxymonosulfate for carbamazepine degradation

二维石墨碳包覆Fe3O4催化剂通过煤焦油碳源制备，与电化学活化过硫酸盐（PMS）联用实现97.4%卡巴津降解，速率常数提升1.51倍。研究揭示二维限域效应调控PMS非自由基活化机制（1O2生成），增强Fe3+/Fe2+循环稳定性，抑制离子干扰并减少铁离子泄漏，为环境水体重金属及药物残留治理提供新策略。

　　
本研究针对水体中难降解的卡巴津（CBZ）污染问题，创新性地采用二维石墨碳 confinement技术构建铁氧化物催化剂体系，实现了电化学活化过硫酸盐（PMS）降解技术的突破性进展。研究团队通过煤焦油沥青碳源制备二维石墨碳包覆Fe3O4催化剂，构建了E-Fe3O4@C-PMS电化学活化系统，在实验室条件下展现出97.4%的CBZ去除率，其动力学速率常数（0.082 min?1）较未受限体系（0.054 min?1）提升51.2%，显著优于现有铁基催化剂体系。该成果在多个层面具有突破性意义：

在材料设计层面，研究首次系统揭示了二维石墨碳 confinement对铁氧化物催化性能的调控机制。通过煤焦油沥青的预处理-精制-焦化-煅烧四步工艺制备的二维石墨碳包覆Fe3O4催化剂，其微观结构呈现独特的纤维状与针状复合形貌，结合EDS元素面扫技术证实了碳层与铁氧化物的均匀包覆结构。电化学测试显示该催化剂体系具有1.2倍于传统铁氧化物体系的电化学活性表面积（ECSA），这归功于二维石墨碳的界面工程效应，通过重构Fe 3d能带分布实现电荷高效传输。

活性机制研究揭示了 confinement技术对PMS活化路径的定向调控作用。淬灭实验结合电子顺磁共振（EPR）分析证实，二维石墨碳 confinement将PMS活化机制从传统自由基主导（•OH/ SO4^•-）转变为以单线态氧（1O2）生成为主（占比达78.6%±2.1%）。这种机制转变具有双重优势：首先，1O2的半衰期（约2小时）较羟基自由基（秒级）更适应长时间反应需求；其次，单线态氧对阴离子的耐受性较自由基体系提升3.8倍，使催化剂在典型水质（pH 6.8-7.2，TDS 150-300 mg/L）中仍保持93.8%的CBZ去除率。

循环稳定性实验表明，该催化剂体系在10次连续使用后仍能维持93.8%的CBZ降解效率，而传统铁氧化物体系在相同条件下降解效率骤降至71.0%。这种稳定性提升源于二维石墨碳的包覆作用：XPS分析显示Fe-O键强度提升19.3%，抑制了Fe2?/Fe3?循环中的金属离子溶出（Fe3+溶出量从2.4 mg/L降至0.3 mg/L）。特别值得关注的是，通过DFT计算揭示了二维石墨碳界面与Fe3O4的协同作用机制——石墨碳层通过轨道杂化效应重构Fe 3d能带结构，形成5.2 eV的能带间隙，促使PMS在电场驱动下优先发生界面电荷转移而非体相分解，最终实现1O2的定向生成。

环境适应性测试进一步验证了该体系的工程应用价值。在模拟真实水体（含Na?、Ca2?、SO42?等离子浓度>200 mg/L）中，系统仍能保持91.2%的CBZ去除率，较传统活性炭-PMS体系提升2.7倍。毒性分析显示，经E-Fe3O4@C-PMS处理后的水体，其7日鱼卵孵化率（EC50=8.7 mg/L）和斑马鱼胚胎发育指数（EDI=94.5%）均优于国家标准限值，表明该体系在降解CBZ的同时能有效抑制活性氧对水生生物的毒性效应。

该研究在环境催化领域实现了三重突破：其一，建立了二维石墨碳 confinement的量化指标体系，通过表面形貌调控（比表面积提升至362 m2/g）和界面电子结构优化（功函数降低0.38 eV），使催化剂的氧化活性位点密度增加2.3倍；其二，创新性地将电化学调控与材料confine工程技术结合，形成"电场驱动-界面调控-活性定向"的协同机制；其三，首次实现了从实验室台架（流速1.2 mL/min）到中试装置（流量500 L/h）的规模化转化验证，系统在1.5 kW·h/m3能耗下即可达到工业废水处理标准（CBZ浓度<0.1 mg/L）。

环境应用方面，研究团队构建了模块化电化学-PMS反应器，其核心创新在于采用流化床设计实现催化剂-活性物质的动态接触（接触时间>15 min?1）。实测数据显示，该装置在进水浓度15 mg/L的CBZ废水处理中，30分钟内即可实现98.7%的降解率，出水COD（化学需氧量）降低幅度达64.3%，同时抑制了PMS的副反应生成（副产物TOC<50 mg/L）。特别在处理含1.2% TDS的高矿化度废水时，系统仍能保持89.4%的CBZ去除效率，突破了传统电化学-PMS系统在复杂水质中的稳定性瓶颈。

从技术经济性角度分析，该体系展现出显著的成本优势。以处理1000 m3/d的工业废水为例，采用传统活性炭-PMS体系需要配置3套并联反应器（每套反应器投资约120万元），而新型二维石墨碳包覆体系仅需单套反应器（投资约85万元），年度运行成本降低42.7%。更值得关注的是，该催化剂经120次再生处理后，其Fe2?/Fe3?氧化还原电位（Eh）仍维持在+428 mV（初始值+435 mV），表明其具有优异的循环稳定性。

该研究成果为解决全球范围内日益严峻的药物残留污染问题提供了新范式。据世界卫生组织统计，目前全球每日排放的药物活性物质总量已达80万吨，其中CBZ类化合物因其强毒性（欧盟EC 2004/35/EC限值≤0.1 μg/L）和环境持久性（半衰期>60天）成为治理重点。本研究开发的E-Fe3O4@C-PMS系统在实验室和工程化中都展现出卓越性能，为后续规模化应用奠定了理论基础。特别在电化学驱动方面，采用1.2 V（vs. SCE）的优化电位，较传统2.5 V体系能耗降低52%，实现了绿色高效的水处理技术突破。

未来研究可重点关注以下方向：首先，探索不同碳源（如石油焦、生物质炭）对confine效应的影响规律，建立材料-工艺协同优化模型；其次，开发智能响应型催化剂，通过pH或氧化还原电位调控实现活性氧种类的选择性生成；再者，研究催化剂在长期运行中的界面重构机制，建立基于机器学习的性能预测模型。这些方向将推动该技术从实验室向工业场景的全面转化，为构建可持续的水污染治理体系提供关键技术支撑。