定制富含氧空位的二维CoOOH/Alk-Ti?C?T? MXene材料，以增强过硫酸盐的活化效果及甲硝唑的降解性能

《Journal of Water Process Engineering》：Tailoring oxygen vacancy-rich 2D CoOOH/Alk-Ti?C?T? MXene for enhanced persulfate activation and metronidazole degradation

本研究开发了一种CoOOH/Alk-Ti3C2Tx纳米复合材料，用于高效去除水中的抗生素MNZ。通过超声辅助共沉淀合成，并利用响应面法优化pH=6.5、催化剂0.6 g/L、PS浓度1.5 mM、反应时间65分钟等条件，MNZ去除率达94%，TOC去除率71%。表征显示材料具有丰富氧空位和Co2+/3+循环，淬灭实验证实1O?是主要活性物种。该催化剂在真实废水基质中表现稳定，验证了其在抗生素废水处理中的实用性。

　　随着新兴污染物的不断涌现，特别是药物残留，水体污染问题日益严峻。这类污染物不仅威胁生态环境，还可能对人类健康产生深远影响。因此，开发高效且经济的催化剂成为去除抗生素等污染物的关键。本文介绍了一种新型二维CoOOH/Alk-Ti?C?T?纳米复合材料，该材料具有丰富的氧空位（OVs），通过超声辅助共沉淀法合成，用于高效降解甲硝唑（MNZ）。该催化剂在实际废水处理中表现出良好的性能，达到84%的MNZ去除率，同时在优化条件下实现了94%的MNZ去除效率和71%的总有机碳（TOC）去除效率。

甲硝唑是一种广泛应用的抗生素，属于硝基咪唑类药物，主要用于治疗厌氧菌和原虫感染。然而，由于其高溶解性、低吸附能力、不可生物降解以及亲水性等特性，甲硝唑在水体中具有较强的持久性，成为一种难以处理的污染物。其在水源、医院废水、污水处理厂出水和工业废水中均被检测到，浓度范围从几纳克/升到几十微克/升不等。这种广泛存在和难以去除的特性使得甲硝唑的污染问题尤为突出，亟需有效的处理技术。

传统的废水处理方法在去除抗生素方面存在明显不足，导致抗生素在水体中积累，从而引发一系列生态和健康问题。近年来，研究者们探索了多种去除抗生素的方法，包括光催化、异相芬顿反应、氧化还原、生物降解、吸附、臭氧氧化和纳米光解等。然而，这些方法在实际应用中往往面临效率低、成本高或操作条件苛刻等问题。相比之下，基于硫酸盐的高级氧化工艺（SR-AOPs）因其更宽的操作pH范围（3–10）、更高的氧化还原电位（2.5–3.1 eV）和更长的寿命（30–40 μs）而展现出显著优势。SR-AOPs通过激活过硫酸盐（PS）或过一硫酸盐（PMS）产生多种活性氧物种（ROS），如羟基自由基（•OH）、硫酸根自由基（SO?•?）和单线态氧（1O?），从而实现对有机污染物的高效降解。

单线态氧（1O?）因其较长的半衰期和对阴离子的较高稳定性，被认为在抗生素降解过程中具有重要作用。与自由基路径相比，非自由基路径（如1O?的生成）在降解过程中表现出更高的效率和选择性。例如，Wang等人使用Mo?C作为催化剂，在PMS激活下5分钟内完全降解了甲硝唑，表明非自由基路径在抗生素去除中的重要性。同样，Cheng等人通过碳纳米管（CNT）激活过二硫酸盐（PDS），主要生成1O?，用于去除2,4-二氯酚（2,4-DCP）。这些研究进一步证明了非自由基路径在高级氧化过程中的优越性，为开发新型催化剂提供了理论依据。

为了提高PS的激活效率并增强催化剂的稳定性，研究者们探索了多种策略。其中，催化剂的设计和组成调整成为关键。例如，通过引入氧空位（OVs）和金属-异原子协同作用，可以有效防止金属离子的溶解，提高催化剂的再利用性。此外，MXenes作为一种新型二维材料，因其独特的层状结构和优异的电子导电性，被广泛研究用于催化剂载体。MXenes表面富含的官能团，如–F和–O，不仅提供了丰富的活性位点，还增强了其对金属离子的吸附能力，从而提高了催化剂的整体性能。

本文所开发的CoOOH/Alk-Ti?C?T?纳米复合材料结合了CoOOH的高催化活性和MXenes的优异导电性与稳定性。通过超声辅助共沉淀法合成的该材料在表面引入了氧空位，并且CoOOH与MXenes之间形成了有效的协同作用。氧空位的引入不仅增加了周围氧离子的迁移能力，还促进了Co2?/Co3?的氧化还原循环，从而提高了PS的激活效率。同时，CoOOH与MXenes之间的相互作用增强了催化剂的结构稳定性，使其在实际应用中具有更高的耐久性和可回收性。

为了进一步优化降解条件，本文采用了响应面法（RSM）中的中心组合设计（CCD）进行实验设计。通过分析不同参数（如pH值、催化剂用量、甲硝唑浓度、PS浓度和反应时间）对降解效率的影响，研究团队确定了最佳的反应条件。在优化条件下，甲硝唑的去除率达到94%，总有机碳的去除率达到71%。这一结果表明，该催化剂在PS激活下对甲硝唑具有高效的降解能力，且其性能在不同环境矩阵中均表现出良好的适应性。

此外，本文还通过动力学研究和淬灭实验，深入探讨了催化剂的反应机制。结果表明，甲硝唑的降解过程遵循伪一级动力学模型，且1O?是主要的活性氧物种。这一发现不仅揭示了催化剂在PS激活下的作用机制，还为后续的催化剂设计和优化提供了重要参考。同时，通过循环实验评估了催化剂的稳定性，结果表明该材料在多次使用后仍能保持较高的催化活性，显示出良好的可重复利用性。

综上所述，本文提出了一种基于氧空位工程的新型二维催化剂CoOOH/Alk-Ti?C?T?，用于甲硝唑的降解。该催化剂在PS激活下表现出优异的性能，具有较高的去除效率和良好的稳定性。研究团队通过实验设计和优化，确定了最佳的反应条件，并通过多种表征手段验证了催化剂的结构和性能。这一研究不仅为抗生素污染的治理提供了新的思路，还推动了钴基MXene催化剂在有机污染物处理中的应用。未来，进一步优化催化剂的结构和性能，以及探索其在更大规模和更复杂环境中的应用，将是该领域研究的重要方向。