掺硼生物炭具有双C-B-O/O-B-O结构，可作为超级锚点和电子加速剂，用于nZVI激活的过硫酸盐氧化obrazilate（商品名：imidacloprid）过程

《Environmental Research》：Boron-doped biochar with dual C-B-O/O-B-O sites as a super-anchor and electron-accelerator for nZVI-activated persulfate oxidation of imidacloprid

【字体：大中小】 时间：2026年09月02日 来源：Environmental Research 8.2

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摘要

通过过硫酸盐氧化去除水中的吡虫啉仍然具有挑战性，因为这些系统中常用的基于铁的催化剂容易发生聚集、失活和反应性降低。在现有的高级氧化工艺中，nZVI活化的过二硫酸盐（PDS）对吡虫啉的降解具有吸引力，但其性能常常受到氧化剂利用率低和催化剂耐久性差的制约。本文中，研究人员设计了具有原子级分散功能位的硼掺杂生物炭（BBC），以提升nZVI的催化性能。C-B-O位点作为稳定的锚定位点，其计算的铁结合能为391.98 kJ/mol，有助于nZVI的稳定并提高空气暴露后的活性保持率。同时，O-B-O位点创造了极性微环境，促进了PDS的富集并加速了界面电子转移，使每个PDS分子的电子转化效率达到0.62 e?。这种双位点结构促进了O?·?、1O?、SO?·?和·OH的生成，这一结论通过自由基清除和电子顺磁共振测量得到了证实。PBQ淬火显著抑制了吡虫啉的去除，表明O?·?起了重要作用；而TEMP-1O?信号则证实了与1O?相关的非自由基途径的参与。密度泛函理论（DFT）计算进一步显示，O?·?、1O?、SO?·?和·OH对吡虫啉的反应途径具有不同的内在能量障碍。总体而言，这些结果支持在研究条件下O?·?介导的氧化和与1O?相关的非自由基过程在吡虫啉转化中的重要作用。该催化剂在160分钟内实现了91%的吡虫啉去除率，并在空气暴露30天后仍保持超过96%的初始活性。这些发现为设计具有改进稳定性和增强PDS活化性能的碳负载铁催化剂提供了实用的界面调控策略。

引言

吡虫啉（IMI）是一种广泛使用的新型烟碱类杀虫剂，由于其广泛应用、高水溶性、持久性和急性神经毒性，现已成为普遍的水体污染物（Eng等人，2019；Gualda-Alonso等人，2022；Siviter等人，2018）。其主要来源于农业径流和牲畜废水，对水生生物、传粉者和人类健康构成威胁，因此迫切需要有效的可持续修复技术（Addy-Orduna等人，2024；Caserto等人，2024；Crall等人，2017；Davies等人，2024；Fournier-Level等人，2019）。

传统的净化技术（如吸附和生物降解）存在重大局限性，如降解不完全和二次污染风险（Gautam和Kumar Dubey，2022；Ma等人，2018；Wei等人，2024）。因此，高级氧化工艺（AOPs）因能生成高活性自由基而在降解持久性有机污染物方面受到重视。其中，基于过硫酸盐（PDS）的系统具有吸引力，因为它们生成的硫酸根自由基（SO?·?）具有比羟基自由基更高的氧化还原潜力和更长的寿命，从而能在宽pH范围内更有效地降解难以降解的化合物（Chen等人，2024；Gao等人，2023；Soro等人，2023；Yu等人，2024；Zhong等人，2023）。

然而，基于PDS的系统的实际效果受到催化剂——纳米零价铁（nZVI）固有缺陷的严重限制。nZVI颗粒由于磁力和范德华相互作用而容易聚集，这大大减少了它们的活性表面积（Kang等人，2018；Li等人，2017；Liu等人，2025）。此外，它们的高反应性使它们在暴露于空气或水中时容易迅速失活，从而阻碍电子转移和催化活性（Ren等人，2025；Wang等人，2017）。这些稳定性问题，加上分散性差，缩短了催化剂的寿命并增加了操作成本。传统的多孔碳载体（如未经改性的生物炭）无法充分缓解这些问题（Ahmad等人，2022；Hama Aziz等人，2025；Tang等人，2024；Xu等人，2024）。它们通常对nZVI的锚定能力有限，导致颗粒渗出，且其相对较低的电子导电性妨碍了PDS活化所需的界面电子转移（Ge等人，2026；Wang等人，2021，2024）。因此，亟需一种既能增强nZVI稳定性又能提高界面电子转移效率的集成策略。

从根本上说，这些技术瓶颈源于需要在原子和电子层面上合理设计催化剂-载体界面。在基于PDS的芬顿体系中的催化转化由三相边界处的过程控制（Guo等人，2024；Shang等人，2022；Wei等人，2024）。界面原子结构和电子环境决定了两个关键的催化事件：（i）nZVI的持久固定，以减少聚集和氧化失活；（ii）从nZVI到PDS的高效电子传递。传统载体提供的界面是随机且低效的，无法同时满足长期稳定性和高催化效率的要求。因此，需要精确设计界面以同时控制催化剂的耐久性和反应性。为此，必须克服两个紧密关联的科学难题：首先，稳定的催化剂锚定需要原子级的结合位点，以化学锁定nZVI颗粒，防止聚集和表面失活；其次，界面电子转移的调控要求设计出高导电性的碳基质通道，这些通道不仅能提高PDS的局部浓度，还能促进nZVI到PDS的快速电子转移。

为解决这些根本挑战，我们提出并在生物炭载体中实现了硼掺杂引发的功能位点差异化策略。这种原子级工程设计方法精确构建了两种不同的局部微环境，每种环境针对特定的瓶颈进行优化。通过密度泛函理论（DFT）计算，我们识别并验证了两种关键的硼-氧构型——C-B-O和O-B-O位点，它们表现出协同作用。C-B-O位点作为“超级锚定剂”，显著提高了铁原子的吸附能，从而固定nZVI并显著抵抗聚集和氧化。这种稳固的锚定方式延长了催化剂的使用寿命并减少了铁的渗出。同时，O-B-O位点作为“活化促进剂”，其独特的极性微环境优先富集PDS分子，并提供高导电性的电子通道，显著促进了界面电子迁移和活性氧（ROS）的生成。实验结果证实，工程化的硼掺杂生物炭/nZVI复合体表现出更优异的稳定性和更高的吡虫啉降解率。这项工作引入了一种功能位点差异化范式，指导了高级氧化工艺中耐用且高效催化剂的原子级设计。

章节片段

硼酸改性生物炭的制备

使用莲藕茎作为生物质前体。首先用自来水冲洗，然后用去离子水清洗以去除表面污染物。清洗后，将其在105°C下烘干24小时。干燥后的材料经过研磨并过100目筛子，得到均匀的细粉末。

为了合成硼改性生物炭（BBC），将10克莲藕茎粉末浸入含有15克硼酸（H?BO?）的水溶液中……

硼掺杂对吡虫啉降解的协同催化效果

通过一系列使用PDS活化的吡虫啉降解实验，系统研究了硼掺杂对nZVI稳定性和催化效率之间平衡的影响。如图1a所示，硼掺杂的生物炭负载nZVI（BBC@nZVI，碳与铁的质量比为1:1）表现出高催化活性，在160分钟内实现了91%的吡虫啉去除率。这一性能远超未掺杂的对照样品（BC@nZVI，去除率为36%）和其他碳与铁质量比的催化剂。

结论

本研究提出了一种通过硼掺杂实现碳负载nZVI催化剂原子级“功能位点差异化”的策略。我们证明了C-B-O和O-B-O位点之间的明确“分工”：C-B-O位点作为“超级锚定剂”，有助于提高nZVI的稳定性和空气暴露后的活性保持；而O-B-O位点作为“活化促进剂”，促进PDS的富集和界面电子转移。

CRediT作者贡献声明

杨正明：撰写——原始草稿、方法研究、数据分析。 王卓超：数据可视化、软件使用、资源准备。 李泰文：数据可视化、软件使用、资源准备。 徐阳：数据可视化、软件使用、资源准备。 徐天宇：数据可视化、资源准备、方法研究。 丁涵：数据可视化、资源准备、方法研究。 张创仕：数据可视化、资源准备、方法研究。 陈宇庄：数据可视化、资源准备、方法研究。 李强：软件使用、资源准备、方法研究。 方瑞：……

注释

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

伦理批准及参与同意

不适用。本研究未涉及人类参与者、人类材料或动物。

出版同意

不适用。

原创性声明

作者确认本文为原创作品，未曾在他处发表，也未接受其他地方的出版审核。所有作者均已阅读并批准提交的修订稿件。

资助

本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号32472025和31971807）和湖北省科技创新计划项目（重点研发专项，项目编号2023BCB113）的资助。

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