抗自吸附超小氧化铁纳米簇激活过一硫酸盐高效降解罗丹明B的机制与应用研究

针对传统Fe3O4在类芬顿反应中存在的动力学缓慢和自吸附聚集问题，中国西华师范大学团队设计了一种2-溴异丁酸修饰的超小氧化铁纳米簇（BMPA-USIONC，5 nm）。该材料通过纳米级低磁性和有机酸修饰，实现了98%的罗丹明B（RhB）降解效率（3分钟），且稳定性长达1个月。研究揭示了多活性氧物种（SO4•?、·OH、O2•?、1O2）协同降解机制，兼具生物相容性和实际废水处理潜力，为环境修复提供了高效绿色解决方案。

　　

纺织印染废水中的罗丹明B（RhB）因其高毒性、难降解性和环境持久性，成为水污染治理的顽疾。传统Fe₃O₄催化的类芬顿反应虽成本低廉，却受限于铁循环效率低和纳米颗粒自聚集导致的性能衰减。更棘手的是，现有无机还原剂易产生二次污染，而有机酸与超小纳米材料的协同机制尚未探明。如何突破材料尺寸与表面化学的桎梏，实现高效持久的污染物降解，成为环境催化领域的关键挑战。

中国西华师范大学化学与化工学院的研究团队独辟蹊径，将目光投向尺寸效应与有机配体的协同作用。他们设计出2-溴异丁酸（BMPA）修饰的超小氧化铁纳米簇（USIONC，5 nm），通过激活过一硫酸盐（PMS），在3分钟内实现20 mg/L RhB的98%降解，且性能稳定维持1个月，显著优于传统Fe₃O₄（降解率下降15.2%）。这项突破性成果发表于《Environmental Technology》，为纳米材料在环境治理中的应用提供了新范式。

研究团队采用水热法合成USIONC，通过透射电镜（TEM）确认其5 nm粒径和单分散性（图1a），X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）验证了BMPA成功修饰（图1d-e）。降解实验系统考察了pH、PMS剂量等参数影响，结合电子顺磁共振（EPR）和电化学测试揭示了反应机制。细胞实验（MTT法）和溶血试验则评估了生物安全性。

关键发现

1. 尺寸优势与稳定性：5 nm USIONC凭借超顺磁性避免磁致聚集，放置1个月后降解率仍达88.18%，而15 nm材料因强磁性团聚导致效率骤降（图3a）。XPS分析显示小尺寸更易氧化为Fe(III)，虽初始活性略低，但长效稳定性突出。

2. 有机酸协同机制：BMPA通过降低Fe(III)/Fe(II)氧化还原电位（图3b-c），加速铁循环。EPR捕获到·OH、SO₄^•?、O₂^•?和¹O₂信号（图5），自由基猝灭实验证实¹O₂贡献最大（图4）。

3. 实际应用潜力：在含Cl^-、NO₃^-的真实废水中仍保持高效降解（图7f），且铁溶出率仅为未修饰材料的一半（图S9）。

结论与展望

该研究创新性地将尺寸工程与有机配体化学结合，破解了纳米催化剂稳定性与活性的矛盾。BMPA-USIONC/PMS系统通过多路径自由基与非自由基机制协同降解污染物，其低毒性（细胞存活率>70%，图8a）和抗干扰性（如耐受100 mM Cl^-）展现出工业化应用前景。未来可进一步探索材料在复杂基质（如含腐殖酸水体）中的适应性，以及规模化生产的成本控制策略。这项研究不仅为染料废水处理提供了新工具，更为设计下一代环境友好型纳米催化剂提供了理论框架。