过氧乙酸浓度驱动的活性物种转换策略在硫改性铁掺杂石墨相氮化碳自适应降解有机物中的应用

针对复杂水环境中难降解有机微污染物的去除难题，四川大学研究人员通过设计硫改性铁掺杂g-C3N4（FSCN）催化剂激活过氧乙酸（PAA），创新性实现了活性物种的浓度依赖性调控——低PAA浓度（25 μM）时羟基自由基（HO•）主导，高浓度（400 μM）时高价铁（Fe(IV/V)）主导。该系统在真实废水处理中展现出卓越的环境兼容性，为高级氧化工艺（AOPs）提供了新型催化剂设计和活性物种调控范式。

　　

水环境中残留的有机微污染物因其强顽固性、高毒性和生物累积性，已成为威胁生态安全和人类健康的重大隐患。传统高级氧化工艺（AOPs）依赖的羟基自由基（HO^•）或硫酸根自由基（SO₄^•-）存在寿命短、抗干扰能力差等瓶颈，而新兴的高价金属物种（如Fe(IV/V)）虽具有选择性氧化优势，但其可控生成仍面临挑战。与此同时，过氧乙酸（PAA）作为一种环境友好型氧化剂，其O-O键能（159 kJ/mol）显著低于H₂O₂（213 kJ/mol）和过氧单硫酸盐（PMS，317 kJ/mol），更易被激活产生活性物种，但其与共存H₂O₂的竞争活化机制尚未明晰。

四川大学的研究团队在《Journal of Hazardous Materials》发表的研究中，创新性地构建了硫改性铁掺杂石墨相氮化碳（FSCN）催化剂，通过精确调控PAA浓度实现了活性物种的动态切换。研究人员采用X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）和电子顺磁共振（EPR）等技术表征材料特性，结合淬灭实验和同位素标记法解析反应机制。

Characteristics of the catalysts
SEM-EDS显示FSCN具有g-C₃N₄的累积颗粒形貌，Fe-N配位键和硫原子取代氮位点的结构经XPS验证（图1）。穆斯堡尔谱证实Fe³⁺为主要价态，而硫掺杂显著提升了电子迁移率（电化学阻抗谱EIS证实）。

Abstract
FSCN/PAA系统对含不同电子给/吸基团的污染物（如磺胺甲恶唑SMX）均展现卓越去除效率。在25 μM PAA时HO^•贡献率达78.6%，而400 μM PAA时Fe(IV/V)占比提升至64.3%。这种"双功能开关"源于FSCN同时激活PAA生成Fe(IV/V)和催化H₂O₂分解产HO^•的独特能力。

Introduction
研究揭示了PAA与H₂O₂的竞争活化机制：低PAA时H₂O₂/Fe³⁺反应主导生成HO^•；高PAA时PAA直接与Fe²⁺作用产生Fe(IV/V)。连续流实验证实系统在真实废水中保持>90%的SMX去除率（120小时），且共存物质（Cl^-、NO₃^-等）影响微弱。

Conclusions
该研究通过硫掺杂调控g-C₃N₄电子结构，建立了PAA浓度→活性物种转换→污染物降解效率的精准调控链条。不仅为复杂水质净化提供了自适应解决方案，更深化了对多氧化剂共存体系中电子传递机制的理解，推动AOPs从"单一自由基"向"智能切换"范式的转变。