引发波澜：内源驱动类芬顿催化——将内源性水组分转化为痕量新兴污染物去除的驱动力

《Water Research》：Making Waves: Endogenous-driven Fenton-like catalysis—Turning endogenous water components as driving forces for trace-level emerging contaminant elimination

　　

摘要

如何有效去除水体系中持久性和痕量级新兴污染物（ECs）是确保生态安全和实现水资源可持续管理的关键挑战。传统高级氧化技术（AOPs）在处理痕量级ECs时，高度依赖外加氧化剂，导致化学品消耗量大且存在二次污染风险。本"热点焦点"文章聚焦于内源驱动类芬顿系统的创新范式，将其作为具有变革意义的解决方案。该系统通过利用内建电场的催化剂设计策略，利用水中原有组分的化学势能（如溶解氧（DO）和ECs），从而建立以内源驱动力为核心的高级处理系统，用于去除痕量级ECs。我们系统概述了内源驱动类芬顿催化的概念界定、基础机制范式，并深入分析了其应用场景以及与传统外加型AOPs相比的优缺点。我们进一步评估了内源驱动系统面临的挑战和未来研究方向，涵盖底物依赖性催化机制、运行稳定性以及反应器工程等方面。最终，本文勾勒出了内源驱动类芬顿催化向更绿色、更智能技术演进的路径，用于处理含痕量ECs的水基质高级处理。

引言

随着医疗和工业产品社会需求的不断增长，医药和化工行业迅速扩张，导致结构复杂的抗生素通过生产废水广泛释放至水环境（Guo et al. 2026b, Sun and Wu 2026, Zhang et al. 2025a）。作为新兴污染物（ECs），这些抗生素具有高环境持久性和低生物降解性，使其对传统水处理工艺几乎无法去除，并在处理后的出水环境中持续以痕量浓度被检测到（Guo et al. 2026b, Sun and Wu 2026）。因此，制药废水的高级处理已成为水污染控制领域亟待优先解决的关键问题。高级氧化技术（AOPs）因其强氧化能力，被认为是废水处理高级处理的重要手段（Huang et al. 2026, Liu et al. 2026, Tian et al. 2025c, Xu et al. 2026a, Zhang et al. 2025a, Zhao et al. 2025）。该技术主要通过激活外加氧化剂（如过氧化氢（H₂O₂）、过一硫酸盐（PMS））产生活性氧物种（ROS）来实现污染物降解（Duan et al. 2025, Guo et al., 2024a, Guo et al., 2024b, Li et al. 2021, Zhang et al. 2021）。然而，传统AOPs对外加氧化剂的高度依赖导致化学品消耗量大、利用效率低以及二次污染风险。这些局限性阻碍了其与制药废水高级处理所需的绿色低碳目标相适应。

值得注意的是，经过前端生化或物化处理（如脱盐、厌氧-好氧、混凝沉淀等）后，制药废水的有机负荷和盐浓度显著降低。当进入高级处理阶段时，水质相对清洁，但废水中仍存在痕量的复杂成分抗生素ECs。这一水质特征为开发低氧化剂依赖或无氧化剂依赖的高级净化技术提供了机遇，以实现痕量ECs的高级处理（Sun et al. 2022, Zhan et al. 2020, Zhang et al. 2024）。近年来，学者们提出了纳米金属催化剂中电子缺位与电子富集双反应中心（DRCs）的设计策略，旨在打破传统AOPs对外加氧化剂的高度依赖（Gao et al. 2023, Lu et al. 2024, Shi et al. 2024, Zhan et al. 2020）。该策略在催化剂表面构建了电子密度差异显著的电子缺位和电子富集DRC区域，实现由内建电场诱导的自驱动电子定向转移（Cao et al. 2023b, Lu et al. 2023, Lu et al. 2024, Tian et al. 2025a, Tian et al. 2025b）。具体而言，有机污染物在电子缺位区域（如π共轭碳网络）自主提供电子，这些电子被定向转移至电子富集区域（如纳米金属），驱动溶解氧（DO）或废水中痕量氧化剂的活化，产生各种ROS（Cao et al. 2021, Cao et al. 2023a）。Lyu及其同事证实，该机制可减少超过90%的外加氧化剂用量，并显著增强系统对复杂水质的耐受性（Lyu et al. 2023, Wang et al. 2022）。在此基础上，进一步精确调控催化剂的内建电场，实现从吸附污染物到环境氧分子的定向电子转移。该过程驱动ROS的原位生成，无需外部氧化剂供应，从而构成了无需外加氧化剂输入的内源驱动类芬顿技术（Xu et al. 2026b）。这一创新方法利用废水自身的内部能量，将污染物作为化学燃料，DO作为绿色氧化剂来驱动降解循环（Cao et al. 2023a, Cao et al. 2023b, Song et al. 2026, Tian et al. 2025a, Tian et al. 2026, Yang et al. 2025）。这一自驱动策略不仅消除了与氧化剂处理相关的风险，非常适合高级处理应用，还显著提高了工艺可持续性和经济可行性。

尽管已有一些关于内源驱动类芬顿系统的文献报道，但其概念定义、机制基础、实际应用领域以及与传统外加型AOPs相比的系统性优缺点评估等关键方面仍未得到充分探讨。本文综合了内源驱动类芬顿催化的发展历程，涵盖从基础机制和材料设计原则到反应器级工程考量。本文进一步识别了持续存在的科学和技术挑战，并提出了优先研究方向。总体而言，本文旨在阐明内源驱动类芬顿催化作为更绿色、更自主、更智能平台的水环境中痕量ECs高级处理愿景。

章节摘要

用于痕量ECs去除的内源驱动类芬顿系统

传统类芬顿系统从根本上取决于催化剂、氧化剂和污染物之间的有效活化和氧化过程（Tian et al. 2025d, Zhang et al. 2025b, Zhao et al. 2025）。然而，对于痕量级ECs的高级处理，外加氧化剂的活化将不可避免地导致氧化剂进入水基质（图1a）。因此，迫切需要从依赖氧化剂的过程转向

超越内源驱动催化剂：放大模块与可持续性

尽管基础化学提供了科学见解，但内源驱动类芬顿技术的实际影响取决于其从实验室概念向工程解决方案的演进。关键一步在于从间歇式研究向连续流操作的转变，这一转变决定了其在实际水处理中的可行性。这一进展需要在催化材料、反应器设计、工艺集成以及

内源驱动系统面临的挑战与未来研究方向

• (i)
  超越底物依赖性催化机制的内源驱动催化系统设计。当前研究表明，内源驱动系统的催化效率高度依赖于目标污染物的内在供电子能力。这一固有局限性严重限制了实际应用，因为供电子能力较弱的污染物难以驱动催化氧化还原循环。因此，未来工作应侧重于扩展系统

结论

为实现痕量ECs的绿色低碳和高效高级处理，类芬顿技术正经历从依赖外加氧化剂向内源驱动催化的范式转变。内源驱动催化的本质在于通过选择性利用水环境中天然存在的组分——特别是DO和ECs——来克服传统氧化剂依赖方法的固有局限性，从而建立内源驱动系统用于

未引用参考文献

Guo et al., 2024a

CRediT作者贡献声明

耿凤亭：撰写—初稿、可视化。王远方：撰写—审阅与编辑、正式分析。李倩：概念化。田清白：撰写—初稿。马智飞：可视化。徐星：撰写—审阅与编辑、监督、概念化。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何已知的可能影响本文所报告工作的财务利益冲突或个人关系。

致谢

本工作得到国家自然科学基金（525B2167和52670102）的资助。作者还感谢科学罗盘（www.shiyanjia.com）。

耿凤亭|王远方|李倩|田清白|马智飞|徐星

山东大学环境科学与工程学院，复杂多介质污染协同控制山东省重点实验室，中国青岛266237