氧空位修饰二氧化钛阳极协同电芬顿体系高效降解诺氟沙星：机制创新与能效提升

为解决抗生素污染水体治理难题，研究人员开发了氧空位修饰TiO2阳极(Ov-TiO2)与氟掺杂多孔碳阴极(FPC)构建的阳极氧化-阴极电芬顿(AO-EF)协同系统。该系统通过氧空位增强阳极氧化能力并催化H2O2产生活性羟基自由基(•OH)，使诺氟沙星降解动力学常数达1.12 min-1，较单一EF和AO工艺分别提升1.6倍和44.8倍，处理实际制药废水时COD去除率达94.6%，能耗仅8.8 kWh/(kg COD)，为持久性污染物治理提供了高效节能新策略。

　　

抗生素污染已成为全球水环境治理的棘手难题。诺氟沙星(NOR)作为第三代氟喹诺酮类抗生素，因其在医疗和水产养殖中的广泛应用，70%以上会以原形排入水体。传统污水处理工艺难以有效降解这类具有生物毒性和耐药性风险的化合物，其在环境中的残留浓度可达0.045-0.120 μg/L，对生态系统和人类健康构成潜在威胁。面对这一挑战，高级氧化工艺(AOPs)因其能产生强氧化性羟基自由基(•OH)的特性被视为解决方案，但现有电芬顿(EF)和阳极氧化(AO)技术分别存在能耗高、效率低的瓶颈。

针对这一科学问题，中国国家重点研发计划支持下的研究人员创新性地设计了氧空位修饰二氧化钛(O_v-TiO₂)纳米管阵列阳极，与具有高过氧化氢(H₂O₂)电合成活性的氟掺杂多孔碳(FPC)阴极构建了阳极氧化辅助阴极电芬顿(AO-EF)协同系统。研究团队采用阳极氧化-阴极极化法制备电极材料，通过X射线衍射(XRD)和电子顺磁共振(EPR)表征氧空位结构，利用高效液相色谱(HPLC)分析降解动力学，并采用气相色谱-质谱联用(GC-MS)解析中间产物。实际废水处理实验选取COD值为780 mg/L的制药废水作为测试对象。

材料表征显示，O_v-TiO₂电极具有规整的纳米管阵列结构，平均直径1.0 μm，长度15.0 μm，比表面积显著高于传统TiO₂纳米片。EPR检测到明显的氧空位特征信号(g=2.003)，X射线光电子能谱(XPS)证实Ti³⁺/Ti⁴⁺比值达0.38，这些结构特征赋予材料优异的电荷传输能力。电化学测试表明，氧空位使电极析氧电位提升至2.35 V vs. SHE，显著增强了氧化能力。

在NOR降解实验中，AO-EF系统展现出惊人的处理效能：一级动力学常数达1.12 min^-1，分别是单一EF(0.68 min^-1)和AO(0.025 min^-1)的1.6倍和44.8倍。机理研究发现，氧空位具有双重功能：一方面作为活性位点直接催化H₂O₂产生•OH，使体系•OH浓度提升至2.17 mmol；另一方面通过促进界面电荷转移增强阳极氧化能力。淬灭实验证实•OH是主要活性物种，其对NOR降解的贡献率达78.6%。

实际废水处理结果更令人振奋：制药废水COD在4小时内从780 mg/L降至42 mg/L，去除率94.6%，能耗仅8.8 kWh/(kg COD)，远低于传统EF系统处理同等COD废水时的能耗。系统在宽pH范围(3-9)和不同水质条件下均保持稳定性能，连续运行10次循环后降解效率仅降低7.3%，展现出良好的工程应用前景。

这项发表于《Journal of Environmental Sciences》的研究具有多重科学价值：首次揭示了氧空位在协同催化H₂O₂分解和增强阳极氧化中的双功能机制；开发出能效比显著提升的AO-EF集成系统；为制药、医疗等难降解有机废水处理提供了可靠的技术方案。研究团队提出的"缺陷工程调控电极材料-协同催化强化污染物降解"策略，为设计新一代环境功能材料提供了重要理论参考，对推动水污染控制领域的技术进步具有里程碑意义。