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针对传统均相芬顿反应存在污泥生成、pH 适用范围窄等问题，研究人员以聚乙烯微塑料为原料，通过协同热解策略构建 WS?/Fe-N-C 催化剂。其在 H?O?活化体系中对双酚 A 的速率常数达 0.949 min?1，揭示 Fe 位点产?OH、WS?促进非自由基电子转移的双底物协同机制，为塑料升级回收及催化剂设计提供新思路。
工业与城市化进程加速，难降解有机污染物持续侵入自然水体，威胁生态与人类健康。基于过氧化氢（H?O?）活化的高级氧化工艺（AOPs）虽能通过活性氧（ROS）实现污染物矿化，却面临均相芬顿反应产生氢氧化铁污泥、pH 适用范围窄（2–3.5）等难题。尽管微滴驱动的均相芬顿反应在去除微污染物方面表现高效，但高 Fe3?用量（170 mg/L）、狭窄的 pH 窗口及较差的可回收性限制了其实际应用，开发高活性且结构稳定的多相催化剂迫在眉睫。
过渡金属 - 氮 - 碳（M-N-C）材料，尤其是 Fe-N-C 体系，因 Fe-N?活性位点和碳包裹金属簇可有效防止铁浸出，成为多相芬顿反应的理想选择。然而，高温合成中无活性的碳化铁杂质（“Fe?C/Fe”）的无控制形成降低了 Fe 前驱体的利用效率。设计高效的金属活性位点（如 Fe 簇）以最小化金属尺寸和表面自由能，同时最大化活性位点暴露，对确保高催化稳定性、动力学和原子利用率至关重要。但缓慢的电子转移动力学导致的 Fe2?/Fe3?氧化还原循环不完全，限制了 Fe 簇 - N-C 催化剂中活性氧的持续生成。引入助催化剂可调节活性位点的电子结构并促进电子自我补充，从而改善催化性能。非贵金属基助催化剂（尤其是金属硫化物）因其独特的层状结构、暴露的还原性金属位点和丰富的硫空位，在 AOPs 中备受关注，其中 WS?在将 Fe3?还原为 Fe2?方面效率最高，但助催化剂辅助 Fe-N-C 催化剂在 AOPs 中的作用机制尚不完全明确。
此外，塑料的广泛使用和不完善的废物管理策略导致自然环境中塑料废物积累达 63 亿吨，预计到 2050 年将增至约 120 亿吨。化学回收技术通过热解、加氢裂化等将塑料转化为高附加值产品，为碳资源回收提供了有效途径，但将塑料转化为稳定和增强金属催化剂活性的碳载体作为高效芬顿催化剂的研究鲜见报道。
在此背景下，国内研究人员开展了相关研究，旨在设计一种由塑料衍生的 WS?辅助 Fe 簇基氮掺杂碳载体（WS?/Fe-N-C），通过磺化 - 热解策略实现双底物协同催化，提升污染物氧化效率。该研究成果发表在《Applied Catalysis B: Environment and Energy》。
研究人员采用分步磺化和热解方法合成 WS?/Fe-N-C 催化剂。通过透射电子显微镜（TEM）、高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）等技术对催化剂进行表征，观察其结构形貌；利用相关分析、电化学测试（如循环伏安法、线性扫描伏安法等）和理论计算（如密度泛函理论 DFT 计算）探究催化机制；通过评估对多种污染物的去除适用性、实际水处理性能及操作稳定性，验证催化剂的应用潜力。
催化剂合成与结构表征
通过磺化 - 热解策略成功将聚乙烯微塑料升级回收为 WS?/Fe-N-C 催化剂。TEM 图像显示其具有表面粗糙的层状结构，堆叠的层状结构有利于污染物的保留，提高吸附性能。HRTEM 图像表明碳载体中 Fe 簇均匀分散，且 WS?与 Fe-N-C 之间形成强界面相互作用，为电子转移和双底物协同催化奠定结构基础。
催化性能评估
在 H?O?活化体系中，WS?/Fe-N-C 对双酚 A（BPA）的降解速率常数达 0.949 min?1，是 Fe-N-C 的 52 倍，优于先前报道的代表性助催化剂体系和铁基碳催化剂。对硝基苯甲酸、硝基苯等多种污染物也表现出高效去除能力，且在实际水样（如河水、废水）中保持稳定性能，显示出广泛的环境适用性。
催化机制探究
相关分析、电化学测试和 DFT 计算表明，Fe 位点主要激活 H?O?生成?OH（羟基自由基），通过自由基途径降解污染物；WS?则通过其层状结构吸附双酚 A，并利用硫空位和 W 位点的电子转移能力，促进非自由基电子转移途径，实现对污染物的直接氧化。两者协同作用形成双底物活化机制，显著提升催化效率。此外，WS?的引入促进了 Fe3?/Fe2?的氧化还原循环，增强了电子转移动力学，保障了活性氧的持续生成。
稳定性与回收性能
催化剂经过多次循环使用后，催化活性未见明显下降，Fe 浸出量极低，表明其具有优异的结构稳定性和可回收性，克服了传统均相芬顿反应的不足。
研究表明，WS?/Fe-N-C 催化剂通过 Fe 位点和 WS?助催化剂的双底物协同作用，实现了对 H?O?和污染物的高效活化，为有机污染物的去除提供了高效解决方案。该研究不仅为塑料废物的升级回收提供了可行策略，将塑料转化为高附加值的催化材料，助力碳资源循环和碳中和目标，还深入揭示了金属中心与助催化剂之间的协同机制，为高性能催化剂的合理设计提供了创新见解，推动了多相芬顿反应催化剂在环境治理领域的发展。未来研究可进一步拓展该催化剂对其他复杂污染物的去除效果，优化合成工艺以实现大规模生产，加速其实际应用进程。
