三维界面工程构筑CoMoO4@Co3O4/镍泡沫高效活化过一硫酸盐降解磺胺甲恶唑的电子转移机制

针对废水中抗生素残留的降解难题，研究人员通过构建CoMoO4@Co3O4/镍泡沫（NF）三维异质结催化剂，显著提升过一硫酸盐（PMS）活化效率。该催化剂在10分钟内实现磺胺甲恶唑（SMX）100%降解，反应速率常数达0.578 min-1，且pH适应性广（3.0-11.0），循环6次仍保持98.2%活性。密度泛函理论（DFT）揭示界面Co-O-Mo键形成内置电场，促进电子转移及活性氧物种（SO4•?/1O2）生成，为废水处理提供新策略。

　　

论文解读

背景与挑战
抗生素污染如同潜伏在水环境中的“化学定时炸弹”，磺胺甲恶唑（SMX）等药物残留不仅威胁生态平衡，还可能通过食物链引发人类耐药性危机。传统过一硫酸盐（PMS）高级氧化技术虽能降解这类“顽固分子”，但钴基催化剂普遍存在金属离子溶出、电子传递“堵车”等问题，好比一场缺乏指挥的交通混乱，导致反应效率低下。

破局之道
黑龙江省自然科学基金优秀青年项目等资助的研究团队独辟蹊径，将钴钼氧化物（CoMoO₄）与尖晶石型Co₃O₄通过“纳米乐高”式组装在镍泡沫（NF）骨架上，构建出具有三维界面工程的“电子高速公路”——CoMoO₄@Co₃O₄/NF催化剂。这项发表于《Applied Catalysis B: Environment and Energy》的研究，如同为废水处理装上了“涡轮增压器”。

关键技术
研究采用两步水热法合成催化剂，结合扫描电镜（SEM）表征形貌，通过电子顺磁共振（EPR）和电化学分析追踪活性氧物种（ROS）及电子转移路径，并利用密度泛函理论（DFT）计算界面电场效应。实际废水测试采用连续流系统验证稳定性。

研究结果

1. 材料表征
   SEM显示Co₃O₄纳米线像“矛阵”般垂直生长于NF，而CoMoO₄微球则如“纳米玫瑰”簇拥其间，二者复合后形成独特的狼牙棒状三维阵列（图1b），比表面积较单组分提升2.3倍。

2. 降解性能
   该体系10分钟内全歼SMX分子，反应速率（0.578 min^-1）远超同类催化剂。即使在强酸（pH 3.0）或强碱（pH 11.0）环境下，仍保持95.1%以上的“战斗值”，六次循环后活性仅衰减1.8%，堪称“催化剂界的马拉松选手”。

3. 机制解析
   DFT计算发现界面处Co-O-Mo键形成1.27 eV的强内置电场，如同在催化剂内部铺设了“电子磁悬浮轨道”，使电子迁移速率提升4倍。EPR检测到SO₄^•?（硫酸根自由基）和¹O₂（单线态氧）是主要活性物种，其中非自由基路径占比达68%。

结论与展望
这项研究不仅揭示了异质结界面对PMS活化能垒的“削峰填谷”作用，更通过“电子快递站”CoMoO₄@Co₃O₄界面设计，实现了ROS的精准投递。其模块化镍泡沫载体设计，解决了粉末催化剂回收难的行业痛点，为工业废水处理提供了“即插即用”式解决方案。未来通过调控界面原子排布，有望进一步优化ROS生成选择性，推动下一代环境催化剂的定制化开发。