磷掺杂MOF衍生钴碳杂化催化剂增强过一硫酸盐活化机制与生态毒性评估

研究人员针对抗生素污染治理难题，开发了磷掺杂MOF衍生催化剂Co-BTC@P-600，通过调控钴价态与电子转移显著提升过一硫酸盐(PMS)活化效率，10分钟内实现环丙沙星(CIP)降解速率常数0.237 min-1，较未掺杂催化剂提升33%，并揭示高价钴(Co(IV))与单线态氧(1O2)主导的非自由基路径，为水处理技术提供新思路。

　　

随着抗生素在医疗、畜牧业的广泛应用，环丙沙星(CIP)等污染物通过废水持续输入生态系统，不仅威胁水生环境，还可能通过食物链诱发耐药基因传播。传统过一硫酸盐(PMS)活化技术存在反应效率低、自由基易淬灭等瓶颈。针对这一难题，来自中国的研究团队创新性地设计出磷掺杂MOF衍生催化剂Co-BTC@P-600，通过精准调控钴物种价态与电子结构，实现了抗生素污染的高效治理。

研究采用X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)等技术表征材料特性，结合电子顺磁共振(EPR)和猝灭实验解析活性物种，通过液相色谱-质谱(LC-MS)鉴定降解中间体，并运用生态毒性评估模型预测环境风险。

材料结构表征
热解温度实验显示，600℃处理的Co-BTC@P-600呈现面心立方钴晶体结构，磷掺杂使比表面积提升至243.7 m²/g，XPS证实P-C键形成促进电子转移。

催化性能优化
在pH=7条件下，Co-BTC@P-600/PMS体系对20 mg/L CIP的降解速率常数达0.237 min^-1，较未掺杂体系提升33%，且5次循环后仍保持92%活性，宽pH适应性(3.0-10.0)展现工程应用潜力。

反应机制解析
EPR与猝灭实验证实高价钴(Co(IV))和单线态氧(¹O₂)为主导活性物种，与硫酸根自由基(SO₄^•?)、羟基自由基(·OH)协同作用，磷掺杂通过促进Co²⁺/Co³⁺循环增强PMS活化效率。

降解路径与风险评估
LC-MS鉴定出5条CIP降解路径，包括哌嗪环裂解和氟原子取代等反应。毒性预测显示83%中间体生态风险显著低于母体化合物。

该研究发表于《Process Safety and Environmental Protection》，通过原子级磷掺杂策略突破传统AOP技术局限，为设计高效稳定的水处理催化剂提供了理论依据与实践范式。其揭示的非自由基主导协同机制，不仅拓展了PMS活化路径的认知边界，更为抗生素污染治理提供了兼具降解效率与生态安全性的解决方案。