磁性氮掺杂碳包覆钴铁氧体(CoFe2O4@N?C)活化过氧乙酸降解罗丹明B：部分包覆策略、性能与机制研究

为解决纺织印染废水中难降解有机污染物处理难题，研究人员开发了具有部分包覆结构的磁性氮掺杂碳包覆钴铁氧体催化剂(CoFe2O4@N?C)，构建了高效活化过氧乙酸(PAA)的高级氧化体系。该系统在宽pH范围(5-11)内对50-300 mg/L罗丹明B(RhB)降解率达98%以上，经四次循环仍保持39.91%活性，再生后效率达89.20%。机理研究表明活性中心为CoFe2O4，主要产生活性氧物种(ROS)为1O2和O2•?，显著降低废水生物毒性，为PAA基高级氧化工艺(AOPs)提供了新思路。

　　

纺织印染行业每年排放大量含染料的有机废水，其中近30%未经充分处理直接排入环境。这些含罗丹明B(RhB)等染料的废水不仅造成严重的环境污染，更威胁生态系统和人类健康。传统物理处理方法仅能实现污染物转移而非降解，生物法则需要复杂预处理。相比之下，基于活性氧物种(ROS)的高级氧化工艺(AOPs)因其强氧化能力和完全降解特性成为研究热点。过氧乙酸(PAA)作为一种绿色氧化剂，其O?O键能(159 kJ/mol)显著低于过硫酸盐(PMS)和双氧水(H₂O₂)，但单独使用效率有限，亟需开发高效稳定的非均相催化剂实现其活化。

中国石油集团石油污染控制国家重点实验室的研究人员创新性地设计了一种部分包覆的磁性氮掺杂碳包覆钴铁氧体催化剂(CoFe₂O₄@N?C)，通过优化核心-壳层结构，既保留了金属活性位点的暴露，又增强了催化剂的稳定性和磁性回收性能。相关成果发表在《Journal of Water Process Engineering》上。研究采用两步水热-煅烧法制备催化剂，结合X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)等表征技术分析材料特性，运用密度泛函理论(DFT)计算揭示活性位点，并通过电子顺磁共振(EPR)和猝灭实验鉴定ROS种类。

催化剂性能评价与表征
CoFe₂O₄@N?C/PAA体系(0.5 mM PAA+100 mg/L催化剂)在pH 5-11范围内对50-300 mg/L RhB降解率超过98%。表征显示部分包覆结构使催化剂兼具大比表面积(154.3 m²/g)和强磁性(43.6 emu/g)，XPS证实Co²⁺/Co³⁺和Fe²⁺/Fe³⁺氧化还原对的存在。DFT计算表明CoFe₂O₄是主要活性中心，其与N?C层的协同作用降低了反应能垒。

反应机理研究
EPR检测到¹O₂和O₂^•?的特征信号，猝灭实验证实二者贡献率达76.8%。液相色谱-质谱(LC-MS)分析发现RhB降解遵循四条路径：脱乙基化/脱氨基反应、氧杂蒽发色团破坏、苯环结构氧化开环及最终矿化为CO₂和H₂O。毒性评估显示处理后废水急性毒性下降82.3%。

环境适应性分析
体系对常见阴离子(Cl^?、NO₃^?等)耐受性强，但HCO₃^?和CO₃^2?会抑制反应。值得注意的是，过渡金属离子(Fe³⁺、Co²⁺等)可通过促进PAA活化提升降解效率，这为复杂水质处理提供了调控思路。

该研究通过创新的部分包覆策略解决了传统核壳催化剂活性位点遮蔽和传质限制问题，开发的CoFe₂O₄@N?C兼具高催化活性和磁回收便利性(回收率87.18%)。机理上首次系统阐明了PAA活化过程中¹O₂主导的非自由基路径与自由基路径的协同作用，为设计高效AOPs催化剂提供了理论指导。实际应用方面，体系对多种染料(甲基橙、亚甲基蓝等)均表现出良好降解效果，在工业废水处理领域具有重要推广价值。