氮掺杂生物炭调控零价铁电子传递路径实现活性物种高效生成与硝基苯深度矿化

本研究针对零价铁(Fe0)在污染物修复中存在的表面钝化与电子传递效率低等问题，通过构建氮掺杂生物炭(NBC)负载的Fe/NBC复合体系，系统探究了氮掺杂对电子传递路径的调控机制。研究发现7.39%氮掺杂使硝基苯(NB)去除率提升27%，揭示了碳基质介导的电子转移新路径及FeII/H*/*OH活性物种的协同作用机制，为设计高效环境修复材料提供了理论依据。

　　

地下水污染治理领域迎来重要突破。硝基苯(NB)等难降解有机污染物因其高毒性和持久性，传统修复技术往往难以实现彻底矿化。零价铁(Fe⁰)虽具强还原能力，但表面钝化层形成和颗粒团聚严重制约其实际应用。尽管碳材料负载可改善Fe⁰分散性，但电子传递机制不清导致材料设计缺乏理论指导。

天津大学环境科学与工程学院的研究团队在《Journal of Environmental Chemical Engineering》发表创新成果。通过尿素热解法制备系列氮掺杂生物炭(NBC)负载的Fe/NBC复合材料，结合同步辐射X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)、电子顺磁共振(ESR)等表征手段，发现氮掺杂可构建Fe-C界面桥接位点，将电子传递方式从表面隧穿转变为碳基质介导传输。电化学测试显示7.39%氮掺杂使电荷转移电阻降低66%，密度泛函理论(DFT)计算证实吡啶氮位点显著降低电子转移能垒(0.35?层间距缩小)。这种独特的电子传递路径促使碳基质积累电子，原位生成吸附态Fe^II、氢自由基(H*)和羟基自由基(•OH)，最终实现NB的逐步还原-氧化矿化，矿化效率达98%。

主要技术方法
研究采用玉米秸秆热解制备生物炭基底，通过尿素改性实现氮掺杂；运用X射线光电子能谱(XPS)定量氮物种分布；借助电化学阻抗谱(EIS)量化电子转移效率；结合猝灭实验和GC-MS中间产物分析阐明反应路径；采用DFT计算模拟电子转移能垒。

Characterization
SEM显示氮掺杂使生物碳表面形成褶皱结构(层间距d₀₀₂缩小0.35?)，拉曼光谱ID/IG值从0.93增至1.28证实缺陷密度提升。XPS分析表明吡啶氮占比达61.2%，ESR检测到明显DMPO-•OH特征信号。

Conclusion
该研究首次阐明氮掺杂介导的电子"储存-释放"双功能机制：碳基质作为电子库积累还原当量，氮位点作为开关调控电子定向释放。这种协同作用使NB降解速率常数提升3.7倍，且体系在宽pH范围(3-9)和复杂水质条件下保持稳定。研究成果为设计智能响应型环境功能材料提供了全新思路，对地下水原位修复技术发展具有重要指导价值。