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微生物电芬顿（MEF）系统存在 O?吸附弱、H?O?生成慢和金属离子浸出等问题。研究人员构建自支撑双金属单原子簇阴极。该阴极实现 81.2% H?O?选择性，2 小时去除 95.0% 磺胺甲恶唑，提升阳极产甲烷菌相对丰度，为 MEF 系统阴极工程提供新策略。
在环境治理领域，水资源的净化一直是备受关注的焦点。微生物电芬顿（Microbial electro-Fenton，MEF）技术，作为一种创新的水处理手段，试图通过将微生物的代谢过程与电化学反应巧妙结合，来攻克传统处理方法难以降解的有机污染物。想象一下，微生物如同一个个勤劳的 “小工匠”，在电极表面忙碌地工作，它们产生的电子与电化学过程相互协作，产生具有强氧化性的羟基自由基，从而能够氧化分解那些顽固的污染物。
然而，理想很丰满，现实却很骨感。MEF 系统在实际应用中遭遇了重重困境。首先，它对氧气的吸附能力较弱，就像一个力气不足的 “搬运工”，无法高效地将氧气输送到反应位点；其次，H?O?的生成速度缓慢，这大大限制了污染物的降解效率；再者，金属离子的浸出问题不仅影响了系统的稳定性，还可能造成二次污染。这些问题犹如一道道屏障，阻碍着 MEF 技术充分发挥其潜力，使得其在实际应用中的效果大打折扣。
为了打破这些瓶颈，研究人员开启了一场科研探索之旅。虽然文中未明确提及具体研究机构，但他们围绕 MEF 系统展开了深入研究。研究人员创新地构建了一种自支撑双金属单原子簇阴极，试图通过优化阴极材料来提升 MEF 系统的性能。最终，这项研究取得了令人瞩目的成果，相关论文发表在《Applied Catalysis B: Environment and Energy》上，为 MEF 系统的发展带来了新的曙光。
在研究方法上，研究人员采用了多种关键技术。他们利用扫描电子显微镜（SEM）来观察自支撑电极在不同阶段的生长情况，以此判断 FeCu-N-C 催化剂是否成功负载在高温处理的石墨毡（HGF）上。同时，运用密度泛函理论（DFT）对双金属体系的协同效应进行分析，从理论层面揭示反应机制，深入探究 Fe 和 Cu 原子在反应过程中的作用。
下面来看看具体的研究结果：
- 自支撑电极的构建与表征：研究人员以高温处理的石墨毡为基底，原位生长 FeCu-N-C 催化剂，成功构建了 FeCu/HGF 电极。通过 SEM 观察发现，FeCu-N-C 在不同阶段生长良好，主要形成了十二面体结构。这一结构的成功构建为后续高效的催化反应奠定了基础。
- H?O?选择性和生成效率：优化后的阴极展现出了优异的性能，实现了 81.2% 的 H?O?选择性，电子转移数达到 2.4。这意味着该阴极能够更高效地将氧气转化为 H?O?，为后续的污染物降解提供充足的 “弹药”。
- 磺胺甲恶唑（SMX）的降解效果：在 MEF 系统中，该阴极对磺胺甲恶唑的降解能力十分出色，仅 2 小时就能去除 95.0% 的 SMX。这一结果表明，新构建的阴极能够显著加速污染物的降解，大大提高了 MEF 系统的处理效率。
- 系统的稳定性和金属离子浸出情况：在长达 28 天的运行过程中，该系统表现出了良好的稳定性，金属浸出量极低，小于 0.5mg/L。这一特性有效解决了传统 MEF 系统中金属离子浸出的难题，提升了系统的可靠性和实用性。
- 阳极微生物群落的变化：研究发现，阳极产甲烷菌的相对丰度显著增加至 52.0%。这表明阴极的优化不仅提升了污染物的降解效果，还对阳极微生物群落结构产生了积极影响，进一步促进了系统的整体性能提升。
研究结论与讨论部分进一步强调了这项研究的重要意义。通过 DFT 对 ORR 机制的研究发现，Cu 的存在有利于 H?O?形成过程中吸附平衡的达成，而 Fe 在 H?O?分解和芬顿反应中表现出更强的活性。这种双金属原子簇和单原子之间的协同效应，不仅调节了活性位点的电子结构，使其更适合特定反应，还大幅提升了整体催化性能。这种自支撑双金属单原子簇阴极的设计，为 MEF 系统的阴极工程开辟了新的方向，突破了传统阴极材料的限制，扩大了 MEF 技术在环境修复领域的应用边界，使其在实际废水处理中展现出巨大的潜力，有望为解决水资源污染问题提供更加高效、可靠的技术支持。
