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为解决陶瓷膜（CM）去除难降解微污染物能力不足等问题，研究人员开发原子级分散 Co 催化剂负载于 Magnéli 相 Ti4O7（Co-TO）的 CM，用于电增强过氧单硫酸盐（PMS）活化。该体系去除磺胺甲恶唑（SMX）效率达 100%，能耗低，为废水处理提供新方向。
在水资源污染日益严峻的当下，传统废水处理技术对新兴难降解微污染物（如抗生素、农药等）的去除效果不尽如人意。陶瓷膜（CM）虽因耐高温、抗腐蚀等特性在工业废水处理中占据一席之地，但其主要依赖尺寸排阻效应，对磺胺甲恶唑（SMX）等小分子污染物的去除能力有限。而基于过氧单硫酸盐（PMS）的高级氧化工艺（AOPs）虽能产生多种活性物种降解污染物，但传统陶瓷膜导电性差、催化活性低，限制了其在电化学体系中的应用。如何将膜分离与高效催化氧化结合，实现低能耗、高负荷的废水净化，成为亟待攻克的难题。
为突破这一困境，南开大学的研究人员开展了相关研究，成果发表在《Applied Catalysis B: Environment and Energy》。他们通过简单球磨法，将原子级分散的钴（Co）催化剂均匀嵌入 Magnéli 相 Ti4O7（TO）晶格中，构建了 Co-TO/CM 复合体系，用于电增强 PMS 活化处理复杂废水。该研究发现，Co-TO/CM 体系在 643 LMH 通量下可实现 100% 的 SMX 去除率，速率常数高达 34.07 min-1，能耗比其他电化学工艺低三个数量级，为高效低耗的废水处理提供了新范式。
研究主要采用的关键技术方法包括：球磨法制备 Co-TO/CM 复合材料，通过粉末 X 射线衍射（XRD）表征催化剂物相结构，利用原位电化学红外光谱和理论计算探究催化反应机制，在实际废水基质（如养殖废水、城市二级出水、湖水）中验证体系的净化性能。
优化与表征 Co-TO
研究通过球磨法制备 Co-TO，系统优化了 Co 含量对污染物去除性能的影响。XRD 分析显示，所有催化剂均呈现 TO 的 Magnéli 相特征峰，未检测到钴物种或氧化钴相的衍射峰，证实 Co 物种均匀分散于 TO 表面且无氧化钴杂质，表明原子级分散的 Co 成功嵌入 TO 晶格，为高效催化奠定结构基础。
催化机制与活性物种分析
理论计算和原位电化学红外光谱表明，Co 原子与 TO 之间的强金属 - 载体相互作用（MSI）是催化活性的关键。Co 活性位点通过活化 PMS 生成?OH 和1O2等关键活性物种，其中高价态 Co（+2 至 + 3 价）通过电子转移促进 PMS 分解，形成级联氧化反应路径，显著提升污染物降解效率。
实际废水处理性能验证
Co-TO/CM 体系在多种实际废水基质中表现出优异的净化能力，对 SMX 的去除率均达 100%，且通量稳定。与传统电催化体系相比，其能耗仅为后者的千分之一，同时兼具膜分离的便捷性（可直接分离回收），克服了粉末催化剂难回收的弊端，展现出工业应用的可行性。
结论与意义
该研究构建的 Co-TO/CM 体系成功整合了陶瓷膜的稳定性和单原子催化的高效性，通过原子级工程设计和强金属 - 载体相互作用，实现了电增强 PMS 活化的性能跃升。其优势不仅在于超高的污染物去除效率和通量，更重要的是解决了传统工艺能耗高、催化剂回收难等痛点，为复杂废水的深度处理和标准化排放提供了可持续解决方案。此外，简单 scalable 的球磨制备工艺为单原子催化剂的工业化生产开辟了新路径，有望推动废水处理技术向绿色化、高效化方向发展。研究结果不仅深化了对单原子催化机制的理解，也为设计新型膜基催化材料提供了理论和技术支撑，在环境治理领域具有重要的科学意义和应用价值。
