新型 MnxOy负载铁钽基催化剂促进 Fe3+/Fe2+循环高效活化过硫酸盐：通过自由基与非自由基路径降解污染物的新见解

抗生素污染治理需求迫切，PSAOPs 技术具潜力但存在电荷分离慢、Fe3+/Fe2+循环不足等问题。研究人员设计 Ta3N5@FeTaO4/MnxOy催化剂，其降解四环素效率显著提升，揭示多路径降解机制，为催化剂设计提供新视角。

　　抗生素作为现代医疗和农业的重要工具，在保障人类健康和促进畜牧业发展中功不可没。然而，全球超过 50% 的抗生素存在滥用现象，这些药物通过农业径流、医疗废弃物等途径源源不断地进入自然环境。由于抗生素具有稳定的化学性质，它们极易在水生生态系统中积累，不仅可能催生抗生素抗性基因，引发生物污染危机，还会通过食物链威胁人类健康。如何高效去除环境中的抗生素污染物，成为全球环境治理领域的棘手难题。

过硫酸盐高级氧化技术（PSAOPs）因其能产生硫酸根自由基（SO₄?^?）、羟基自由基（?OH）、单线态氧（¹O₂）和超氧阴离子自由基（?O₂^?）等多种活性氧物种（ROS），在污染物降解中展现出巨大潜力。其中，可见光光催化与 PSAOPs 的结合被视为极具前景的技术路径，可充分利用太阳能中的可见光成分（占比约 43%，远高于紫外光的 4%），降低能耗。但这一技术面临两大瓶颈：光生电荷载体分离动力学缓慢，以及 Fe³⁺/Fe²⁺循环速率不足，导致活性物种生成量有限，难以彻底氧化有机污染物。

为突破上述困境，中国研究人员开展了一项创新研究。他们设计并制备了一种新型核壳异质结光催化剂 Ta₃N₅@FeTaO₄/Mn_xO_y（简称 TFM），旨在通过优化催化剂结构提升过硫酸盐（PS）活化效率，增强光催化降解抗生素的性能。这项研究成果发表在《Applied Catalysis B: Environment and Energy》，为解决环境抗生素污染提供了新的技术方案。

研究团队主要采用了以下关键技术方法：通过两步浸渍 - 煅烧法合成 TFM 催化剂；利用扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）对催化剂的微观结构进行表征，观察到 Ta₃N₅@FeTaO₄形成紧密包裹的核壳结构，Mn_xO_y均匀负载于表面；借助电子顺磁共振（EPR）分析、探针测试和猝灭实验，验证了自由基（?OH、SO₄?^?、O₂?^?）和非自由基（Fe (IV)、¹O₂）的降解路径；通过四环素降解实验对比不同催化剂的性能差异。

催化剂结构与性能表征

SEM 和 TEM 图像显示，TFM 呈现多孔微球结构，由许多纳米颗粒组成。FeTaO₄紧密包裹在 Ta₃N₅表面，形成核壳异质结。晶格条纹分析表明，Ta₃N₅和 FeTaO₄的（110）晶面间距分别为 0.35 nm 和 0.33 nm，选区电子衍射（SAED）图案显示两者具有清晰的衍射环，证实了异质结的成功构建。这种同源生长的异质结因结构匹配和界面无缝衔接，显著促进了光生电荷载体的分离与转移。

催化性能对比

以四环素为模型污染物，对比了 Ta₃N₅@FeTaO₄/Mn_xO_y、Ta₃N₅@FeTaO₄和 Ta₃N₅的降解效率。结果表明，TFM/PS 体系的四环素降解速率分别是后两者的 3.79 倍和 13.42 倍，突显了 Mn_xO_y负载对催化性能的显著提升作用。

反应机制研究

通过添加不同的自由基猝灭剂（如叔丁醇（TBA）用于猝灭?OH，苯醌（p-BQ）用于猝灭 O₂?^?等），结合 EPR 检测，证实了 TFM/PS 体系中同时存在自由基和非自由基降解路径。其中，Fe (IV) 和¹O₂等非自由基物种的发现，拓展了铁基催化剂在 PSAOPs 中的作用机制认知。此外，Mn_xO_y的引入不仅增强了过硫酸盐的吸附，还通过促进 Fe³⁺/Fe²⁺循环，加速了活性物种的持续生成。

研究结论表明，Ta₃N₅@FeTaO₄/Mn_xO_y核壳异质结催化剂通过优化电荷分离效率和 Fe³⁺/Fe²⁺循环机制，实现了过硫酸盐的高效活化，其多路径（自由基与非自由基）协同降解污染物的特性，为处理复杂有机污染物提供了新策略。该研究揭示了铁基催化剂在生成多样化活性物种中的关键作用，突破了传统对铁基材料仅通过自由基路径降解污染物的认知，为设计高效、可持续的类芬顿光催化材料开辟了新视角。未来，这种多金属协同催化体系有望在环境修复领域得到广泛应用，为解决抗生素污染及其他难降解有机污染物问题提供技术支撑。