污泥衍生生物炭负载CdxZn1-xS双金属硫化物：硫-金属相互作用驱动类芬顿反应高效净化水体

针对抗生素污染水体治理难题，研究人员设计了一种基于污泥生物炭（BC）的双金属硫化物复合催化剂（CdxZn1-xS@BC），通过Zn诱导电荷重分布和硫空位协同机制，实现过一硫酸盐（PMS）高效活化，30分钟内降解92%四环素（TC），并显著抑制镉溶出（62.8%），为水处理提供兼具高效性与环境安全性的双功能平台。

　　

随着全球范围内抗生素滥用问题加剧，四环素（TC）等难降解有机物对水生态系统的威胁日益凸显。这类物质不仅难以通过传统生物降解去除，还可能通过食物链富集引发耐药基因传播。尽管基于硫酸根自由基（SO₄^•-）的高级氧化工艺（SR-AOPs）因其强氧化性和宽pH适应性成为研究热点，但现有过渡金属催化剂普遍存在活性位点少、金属溶出率高两大瓶颈。尤其对于镉基材料，其高效催化性能往往伴随严重的环境风险，如何平衡催化效率与生态安全性成为领域内关键科学问题。

针对这一挑战，中国某研究团队在《Applied Catalysis B: Environment and Energy》发表研究，创新性地将污泥衍生的生物炭（BC）与Cd-Zn双金属硫化物复合，构建出Cd_xZn_1-xS@BC多功能催化剂。研究通过水热合成法制备材料，结合X射线光电子能谱（XPS）和密度泛函理论（DFT）计算揭示电子结构调控机制，利用电化学测试和电子顺磁共振（EPR）追踪活性物种生成路径，并通过高效液相色谱-质谱（HPLC-MS）解析降解中间产物。

材料表征与性能优化
扫描电镜显示Cd_0.5Zn_0.5S以200-500 nm纳米花形态均匀锚定在生物炭多孔基质上，X射线衍射证实Zn掺杂引起CdS晶格收缩（2θ偏移0.38°）。优化后的Cd_0.5Zn_0.5S@BC在30分钟内实现92.15% TC降解，速率分别是单金属CdS@BC和ZnS@BC的1.32倍和3.13倍。

协同作用机制
DFT计算表明Zn的引入诱导Cd 3d轨道电子向S 2p轨道转移，形成电子富集表面，使PMS吸附能降低至-2.43 eV。同步辐射分析发现Zn²⁺/Zn³⁺和Cd²⁺/Cd³⁺双价循环可抑制镉过度氧化，结合生物炭的电子穿梭作用，使镉溶出量降低62.8%。EPR捕获到超氧自由基（•O₂^-）、单线态氧（¹O₂）和羟基自由基（•OH）信号，证实多路径活性氧物种（ROS）生成。

实际应用验证
在含Cl^-、HCO₃^-等复杂基质中仍保持85%以上效率，连续5次循环后活性仅下降7.2%。Fukui指数分析表明TC的C4-C6位点最易受攻击，最终矿化为CO₂和H₂O。

该研究通过双金属电子调控与生物炭载体协同，突破了传统芬顿催化剂的效率-毒性权衡难题，为污泥资源化利用和水体抗生素治理提供了新思路。其提出的"硫空位-金属价态循环"协同机制，对设计环境友好型高级氧化催化剂具有普适指导意义。