富氧空位氮掺杂NiFe2O4活化过一硫酸盐实现高效水净化：机制与应用

针对传统水处理技术对2,4-二氯苯氧乙酸（2,4-D）降解效率低的问题，研究人员通过氮（N）掺杂NiFe2O4构建富氧空位（OVs）催化剂，显著提升过一硫酸盐（PMS）活化能力。结果表明，5% N-NiFe2O4/PMS体系在15分钟内实现86.9%的2,4-D去除率，其高效性源于OVs促进的SO4·?和·OH生成。该研究为开发高性能水净化催化剂提供了新策略。

　　

现代农业生产中广泛使用的除草剂2,4-二氯苯氧乙酸（2,4-D）因其稳定的芳香环结构，在自然环境中降解半衰期超过170天，传统生物处理或电芬顿技术对其痕量残留效率低下。如何高效降解这类持久性有机污染物，成为水环境治理的难题。过一硫酸盐（PMS）活化产生的高活性硫酸根自由基（SO₄^·?）和羟基自由基（·OH）虽展现出强大氧化潜力，但过渡金属氧化物（TMOs）催化剂的效率受限于活性位点不足和电子传递缓慢。

针对这一挑战，云南省教育厅和国家重点研发计划支持的研究团队创新性地采用氮（N）掺杂策略改造NiFe₂O₄尖晶石结构，通过构建富氧空位（OVs）的N-NiFe₂O₄催化剂，显著提升PMS活化效能。相关成果发表于《Separation and Purification Technology》。

关键技术方法
研究采用溶胶-凝胶法制备N-NiFe₂O₄催化剂，通过X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）表征晶体结构与表面化学状态，结合电子顺磁共振（EPR）检测氧空位浓度。采用淬灭实验和密度泛函理论（DFT）计算阐明反应机制，并通过液相色谱-质谱（LC-MS）解析2,4-D降解路径。

研究结果

1. 催化剂表征
   XRD显示N掺杂导致NiFe₂O₄衍射峰强度减弱，5% N-NiFe₂O₄的晶格畸变最显著。EPR证实其氧空位浓度较未掺杂样品提升3.2倍，XPS揭示Fe³⁺/Fe²⁺和Ni²⁺/Ni³⁺氧化还原对比例优化，促进电子转移。

2. 降解性能
   5% N-NiFe₂O₄/PMS体系对2,4-D的15分钟去除率达86.9%，较未掺杂体系提升42%。淬灭实验证实SO₄^·?贡献率61.3%，·OH贡献38.7%。

3. 机制解析
   DFT计算表明OVs使PMS吸附能降低1.7 eV，Fe³⁺位点电子转移势垒下降56%。原位拉曼光谱捕获到Ni²⁺-OOSO₃^?中间体，证实金属-PMS配位活化路径。

结论与意义
该研究通过N掺杂工程在NiFe₂O₄中构建高密度OVs，突破传统TMOs催化剂的PMS活化效率瓶颈。其创新性体现在：① 阐明OVs通过降低PMS吸附能和优化金属价态循环的双重作用机制；② 为复杂水体基质中持久性有机污染物的靶向降解提供新材料设计范式。团队负责人Pengwei Yan指出，该催化剂在pH 3-9范围内保持稳定活性，对实际废水处理具有重要应用价值。