三明治状氮包覆钴掺杂 MXene 复合材料高效激活过硫酸盐：结构特性与降解机制

碘帕醇（IPM）作为环境污染物，常规处理方法低效。研究人员合成 CxMN 催化剂激活过硫酸盐（PMS）降解 IPM。结果显示，C0.2MN 性能优异，能产生多种活性物种。该研究为水处理提供新方案。

　　在当今的环境领域，碘帕醇（Iopamidol，IPM）这个名字逐渐进入人们的视野。IPM 作为一种广泛应用于医学成像的碘代 X 射线造影剂，几乎全部经尿液或粪便排出体外。然而，它却成为了令人头疼的环境污染物，频繁在环境中被检测到，浓度可达 μg/L 级别。IPM 具有环境持久性，还会形成碘化副产物，甚至可能通过污水处理厂泄漏到饮用水中，对生态环境和人类健康构成潜在威胁。更糟糕的是，由于其高溶解性和差的生物降解性，传统的废水处理方法对它几乎束手无策，难以有效去除。

为了解决这一棘手的问题，来自未知研究机构的研究人员开展了一项重要研究。他们致力于合成一系列不同钴掺杂比例且氮包覆的 C_xMN 催化剂，以此来高效激活过硫酸盐（Peroxymonosulfate，PMS），实现对 IPM 的有效降解。研究发现，C_xMN 催化剂不仅保留了 MXene 原有的 “accordion-like” 结构，还因钴和氮的原位生成进一步抑制了 MXene 纳米片的团聚，增强了材料的层状结构。其中，C_0.2MN 展现出最优的结构和催化性能，在较宽的 pH 范围内，加入 200mg/L 的 C_0.2MN 和 0.2mM 的 PMS，10 分钟内就能将 5mg/L 的 IPM 降解 99.8%。而且，C_0.2MN/PMS 系统稳定性良好，经过四次循环实验后，IPM 的降解率仍能保持在 82.54% 以上。此外，研究还明确了 IPM 的降解途径主要是脱碘和氢提取，并且评估了其降解产物的生态毒性。该研究成果发表在《Environmental Surfaces and Interfaces》，为水污染治理提供了新的方向和方法，在环境修复领域具有重要意义。

在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。首先，通过 XRD（X 射线衍射）分析材料的晶体结构，确定了 Co 物种在 MXene 层状结构中原位生成以及 N 元素成功包覆 MXene 结构。利用 N₂吸附 - 脱附等温线技术，研究材料的孔隙结构和比表面积，发现 Co 和 N 的共引入改变了 MXene 的层间距和孔隙结构。借助 FT - IR（傅里叶变换红外光谱）和 Raman 光谱，确认了材料中化学键的存在和结构变化。同时，采用 SEM（扫描电子显微镜）和 TEM（透射电子显微镜）观察材料的形貌，直观展示了 C_xMN 的结构特征和 Co 的分散情况。此外，运用 XPS（X 射线光电子能谱）分析材料表面元素的化学状态，为研究反应机制提供了重要依据。

研究结果

1. MXene 和 C_xMN 催化剂的表征：XRD 分析表明，Ti₃AlC₂的 Al 层被蚀刻，Co 物种在 MXene 层状结构中原位生成，N 元素成功包覆 MXene。N₂吸附 - 脱附等温线显示，材料为介孔结构，Co 掺杂增加了 C_xMN 的比表面积，改变了孔隙大小。FT - IR 和 Raman 光谱确认了材料中 Ti - O - Ti、Co - O 等化学键的存在，以及表面基团的变化。SEM 和 TEM 图像显示，C_xMN 保留了 MXene 的层状结构，Co 的分散阻止了 MXene 纳米片的重新聚集，且 C_0.2MN 有超薄 N 层保护 MXene。XPS 分析揭示了材料表面元素化学状态的变化，C_0.2MN 具有最优的 N 掺杂，可能增强稳定性和活性。
2. 操作因素对 C_xMN/PMS 系统中 IPM 降解的影响：对比不同反应系统，发现 C_0.2MN/PMS 系统对 IPM 的降解效果最佳，N 涂层增强了 PMS 的激活。确定了最佳 Co 负载量为 0.2g，催化剂和 PMS 的适宜浓度分别为 200mg/L 和 0.2mM。该系统在较宽的 pH 范围（6.0 - 10.0）内降解效率高，相比现有 Co 基 MXene 催化剂，具有更高的效率和效果。
3. C_0.2MN/PMS 系统的实际应用：研究了不同阴离子和腐殖酸（HA）对 IPM 去除的影响，发现 SO₄^{2 -} 和 NO₃ ^- 影响较小，而 Cl ^- 、HA、HCO₃ ^- 和 PO₄^{3 -} 会抑制降解。在实际水样中，IPM 的降解率降至约 70%。经过四次循环实验，C_0.2MN/PMS 系统对 IPM 的降解效率仍高于 82.53%。固定床柱实验表明，该系统在连续运行 60h 后，IPM 的降解效率仍能维持在 70% 以上，具有实际应用潜力。
4. 降解机制：通过淬灭实验和 EPR 分析，确定了^•OH、SO₄^•－和¹O₂是主要的活性物种，表面结合自由基也发挥了重要作用。XPS 分析和相关实验揭示了 Co 的氧化态变化以及活性物种的生成过程。MXene 载体的还原性在 Co^{3 +} /Co^{2 +} 的氧化还原循环中起重要作用，其独特结构有助于 Co 纳米颗粒的分散和活性位点的增加。
5. IPM 的可能降解途径和毒性分析：基于 Hirshfeld 电荷的凝聚 Fukui 函数计算预测了 IPM 对自由基攻击的位点。通过 UPLC - Q - TOF - MS 鉴定出 14 种 IPM 的转化产物（TPs），确定了主要的降解途径为同时脱碘和氢提取。ECOSAR 模型预测显示，大多数 TPs 的毒性低于 IPM，但 TP705 及其衍生的部分 TPs 慢性毒性升高，存在潜在生态风险。

研究结论与讨论

本研究成功合成了一系列氮包覆钴掺杂的 C_xMN 催化剂，用于高效激活 PMS 降解 IPM。研究全面表征了 C_xMN 的物理化学性质、形貌和表面功能化，明确了其结构与催化性能的关系。C_0.2MN 在激活 PMS 降解 IPM 方面表现出色，揭示了其降解机制和 IPM 的降解途径，并评估了降解产物的毒性。此外，C_0.2MN/PMS 系统在实际应用中展现出良好的稳定性和适用性。然而，对于 TP705 及其衍生的具有较高慢性毒性的 TPs，还需要进一步研究和控制，以确保该技术在环境修复中的安全性和有效性。总体而言，该研究为水污染治理提供了新的策略和方法，在环境科学领域具有重要的理论和实践价值，为后续相关研究奠定了基础，有望推动环境修复技术的进一步发展。