铜氮共掺杂生物炭协同激活过一硫酸盐（PMS）实现氧氟沙星高效降解：自由基与非自由基双路径机制解析

本文推荐一种通过铜氮共掺杂生物炭（Cu-N-BCs）激活过一硫酸盐（PMS）的新型高级氧化技术（AOPs），用于高效降解抗生素氧氟沙星（OFX）。研究揭示了不同生物质前驱体（如柑橘皮、椰壳等）对材料理化性质的影响，并通过密度泛函理论（DFT）阐明了Cu-吡啶氮配位位点驱动·OH生成、Cu+/吡啶氮协同促进1O2产生的双路径机制，为抗生素污染治理提供了绿色解决方案。

　　

亮点

• 五种生物质衍生的Cu-N-BCs展现出显著差异化的PMS激活性能

• 柑橘皮生物炭（Cu-N-MOBC-1）因高比表面积和导电性表现最佳

• 自由基（·OH、SO₄^•?）与非自由基（¹O₂、电子转移）路径协同作用

催化剂表征

通过一步热解法将生物质废弃物转化为Cu-N共掺杂生物炭（图1）。外源掺杂策略采用尿素和铜盐分别作为氮源和铜源，热解过程中尿素分解释放NH₃气体，有效促进碳基质孔隙发育。

结论

本研究成功实现两大目标：①揭示生物质类型对Cu-N-BCs理化性质及催化性能的影响规律；②阐明Cu-N-BCs相较于对照样品的性能增强机制。结果表明，生物质差异主要导致材料表面形貌、掺杂水平及导电性等显著变化，而柑橘皮生物炭因其独特的Cu-吡啶氮配位结构成为高效PMS激活剂。

机制解析

淬灭实验显示OFX降解涉及四类活性物种：

• ·OH（36.17%）：源自Cu-吡啶氮配位位点

• ¹O₂（36.17%）：由C=O基团与Cu⁺/吡啶氮协同作用触发

• SO₄^•?（12.77%）：由Cu²⁺主导生成

• 表面介导电子转移（14.89%）：通过亚稳态反应复合物（Cu-N-MOBC-3/PMS*）实现

降解路径

基于密度泛函理论（DFT）计算，系统解析了OFX的降解途径，并评估了其转化产物的毒性谱，为抗生素污染治理提供理论支撑。