氮磷共掺杂生物炭电极协同增强诺氟沙星电容去离子机制：实验与DFT研究的深度解析

针对水体中诺氟沙星（NOR）污染难题，研究人员通过浸渍-热解法合成氮磷共掺杂多孔碳（PNKBC）电极，结合实验与密度泛函理论（DFT）揭示了π-π相互作用主导的吸附机制。该电极展现出14.9 mg g?1的高吸附容量和优异循环稳定性，为电容去离子（CDI）技术处理抗生素污染提供了新材料设计策略。

　　

随着抗生素在医疗和养殖业的广泛应用，诺氟沙星（NOR）等氟喹诺酮类抗生素在水体中的残留问题日益严峻。这类化合物不仅可能通过食物链危害人类健康，还会诱导细菌耐药性，成为全球公共卫生的重大威胁。传统的水处理技术如膜分离和高级氧化工艺存在能耗高、二次污染等局限，而新兴的电容去离子技术（CDI）因其高效节能的特点展现出独特优势。然而，普通生物炭电极对抗生素的吸附能力有限，如何通过材料改性提升CDI性能成为研究热点。

中央高校特色发展引导资金支持的研究团队创新性地以龙眼壳为碳源，通过磷酸和密胺协同掺杂，制备出氮磷共掺杂多孔碳（PNKBC）电极。研究发现，PNKBC电极在1 mV s^?1扫描速率下具有156.5 F g^?1的高比电容，对NOR的最大吸附容量达41.44 mg g^?1。这项工作发表于《Desalination》，为CDI系统去除水源抗生素污染提供了新思路。

研究采用浸渍-热解法合成材料，通过SEM、XPS等技术表征微观结构，结合电化学测试评估性能，并运用DFT计算揭示吸附机制。实验选用实际水样（湖水和自来水）验证应用潜力。

【材料特性】SEM显示PNKBC具有分级多孔结构，XPS证实N、P成功掺杂形成C=N和P=O键，显著提升材料亲水性和缺陷密度。
【电化学性能】循环伏安测试表明PNKBC的电容较未掺杂材料提升2.3倍，电荷转移电阻降低61.5%。
【吸附机制】DFT计算显示P=O键增加电子云密度，吸附能（Eads）分析证实π-π相互作用是NOR吸附的主导机制。
【实际应用】在含NOR的湖水和自来水处理中，PNKBC电极均保持90%以上的去除率，且经10次循环后性能仅衰减7.3%。

该研究通过实验与理论计算的有机结合，阐明N、P共掺杂通过协同效应优化碳材料的电子结构和孔隙特征：氮原子增加电子密度，磷原子扩大层间距并引入活性位点，二者共同增强电极的导电性、亲水性和吸附能力。特别值得注意的是，DFT计算首次从电子层面揭示了P=O键对π-π相互作用的促进作用，这一发现为CDI电极材料的理性设计提供了重要理论依据。研究成果不仅为抗生素污染控制提供了高效解决方案，其"生物质转化-掺杂改性-机制解析"的研究范式也为环境功能材料开发树立了新标杆。