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抗生素污染严重威胁水体环境，现有催化剂降解污染物存在诸多问题。研究人员合成氮掺杂碳负载的 FeMo 双原子催化剂（FeMo/NC），发现其能高效激活过一硫酸盐（PMS），10 分钟内使环丙沙星（CIP）降解率达 99% 。该研究为水修复提供新策略。
在现代社会，抗生素被广泛应用于医学、农业和畜牧业等领域。然而，这些抗生素在使用后并未被完全代谢，大量残留的抗生素持续进入生态系统，在自然水体中不断累积，导致抗生素污染成为全球性的水污染难题。其中，环丙沙星（CIP）作为常见的抗生素，频繁在自然水体中被检测到，是降解技术的关键目标。
目前，利用过一硫酸盐（PMS）的高级氧化工艺（AOPs）是降解这类污染物的重要手段。但现有催化剂存在反应动力学慢、不同 pH 条件下效果受限、利用耐久性不佳等问题。同时，原子分散的过渡金属 - 氮 / 碳（M/NC）催化剂虽前景广阔，像 Fe/NC 催化剂在 PMS 活化和有机污染物降解方面有一定优势，但仍面临活性位点认知有限、位点密度低、稳定性不足等挑战，如金属脱除会减少活性位点，铁位点的过度氧化也会阻碍催化剂活性，限制其在 Fenton-like 反应中的实际应用。
为了解决这些问题，研究人员开展了关于 Fe-Mo 双原子催化剂在水修复中协同效应的研究。研究人员设计合成了氮掺杂碳负载的 FeMo 双原子催化剂（FeMo/NC），并对其进行系统分析。
研究人员运用了多种关键技术方法。通过 X 射线吸收精细结构光谱（XAFS）、原位拉曼光谱（in situ Raman）对催化剂进行结构和反应过程分析；采用密度泛函理论（DFT）计算从理论层面深入探究电子转移等机制；借助电化学测试来评估催化剂的性能。在样本方面，合成了 FeMo/NC、Fe/NC、Mo/NC 和 NC 等催化剂样本用于对比研究。
下面来看具体的研究结果：
- 高效降解污染物：FeMo/NC-PMS 体系展现出卓越的降解能力，在 10 分钟内就能实现 99% 的环丙沙星（CIP）降解，反应速率常数达到 0.402 min?1。
- 宽 pH 适应性：该体系在 pH 1 - 13 的范围内都能保持较高的降解效率，稳定性强，在极端 pH 条件下依然能有效工作。
- 低金属浸出与良好循环性：FeMo/NC 催化剂的 Fe/Mo 浸出量极少（<0.1 ppm），经过 5 次循环后仍能保留 90% 的降解效率，这表明其具有良好的重复使用性能。
- 协同催化机制：机理研究发现，Mo 通过电子转移稳定 Fe 的价态，强化 Fe - N 配位。同时，Mo 位点促进污染物的预活化，而 Fe 位点则选择性地产生单线态氧（1O2），二者协同作用提升催化效果。
- 实际应用潜力：研究还展示了 FeMo/NC-PMS 体系与膜过滤的兼容性，在处理废水时能实现 100% 的 CIP 去除，展现出在实际水修复应用中的巨大潜力。
研究结论表明，通过双原子位点设计引入创新的电子调控机制，能够有效增强 Fe/NC 位点的活性和稳定性，实现 CIP 的预活化。FeMo/NC 作为高效的 PMS 活化剂，可有效降解持久性有机污染物。该研究建立了双原子设计策略，优化了 Fenton-like 体系中的电子再分配和界面相互作用，为稳定高效的金属 - 氮 - 碳催化剂设计提供了新思路，在实际水修复领域具有重要的应用价值。这一研究成果发表在《Applied Catalysis B: Environment and Energy》，为相关领域的进一步研究和应用开辟了新方向，有望推动水修复技术的发展，解决日益严重的水体抗生素污染问题。
