利用镍金属簇/BiOBr复合催化剂活化过一硫酸盐高效降解NOR的机理研究

《Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects》：A Study on the Mechanism of Efficient NOR Degradation via Peroxymonosulphate Activation Using Ni Metal Cluster/BiOBr Composite Catalysts

　　

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  NB-10/PMS系统降解NOR的效率超过96%。
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  •O₂^-和¹O₂占主导地位；非自由基途径发挥关键作用。
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  SO₄^•?和•OH起辅助作用，协助降解NOR
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  抗共存离子干扰，在天然水中高效。

引言

随着抗生素在医药和畜牧业中的广泛使用，其在水体环境中的持久残留已成为重要的环境关切之一[1], [2]。诺氟沙星（NOR）是一种典型的喹诺酮类抗生素，具有结构稳定、生物降解性差和环境持久性强等特点，使其能在各种水体中长期存在[3], [4]。其残留不仅可能不利影响水生生态系统，还可能促进抗生素耐药菌和耐药基因的传播，对生态系统和公众健康构成潜在风险[5], [6]。因此，开发高效、稳定且环保的抗生素污染物去除技术具有重要意义[7]。

高级氧化过程（AOPs）可通过产生高活性氧物种（ROS）有效氧化和去除难降解有机污染物。其中，过一硫酸盐（PMS）基AOPs因其强氧化能力、宽pH适用性和温和的反应条件而在近年来受到广泛关注[8], [9]。在催化活化下，PMS产生硫酸根自由基（SO₄^•-）、羟基自由基（•OH）和单线态氧（¹O₂）等活性物种，从而促进有机污染物的降解[10], [11]。然而，PMS本身的活化效率较低，其性能强烈依赖于催化剂的活性位点、电子结构和界面电子转移能力。因此，开发用于PMS活化的高效稳定催化剂仍是该领域的重要研究方向[12], [13]。

金属簇团由于具有高的原子利用率、丰富的低配位活性位点和独特的电子结构，在环境催化领域展现出优异的应用潜力[14], [15]。与传统金属纳米粒子相比，其较小的尺寸有利于暴露更多活性位点和加速界面电子转移[16], [17]。其中，镍基簇团具有良好的可逆氧化还原特性、低成本和强PMS活化能力，被认为是具有前景的催化材料[18], [19]。然而，由于其高表面能，Ni簇团在反应过程中容易发生团聚或结构变化，导致有效活性位点减少和催化稳定性下降[20], [21]。因此，选择适当的载体稳定Ni簇团并调节其界面电子结构对于提高PMS活化性能具有重要意义。

溴氧化铋（BiOBr）是一种典型的层状半导体材料，具有优异的化学稳定性、丰富的表面活性位点和出色的电荷传输性能[18], [23]。先前的研究表明，除了其优异的光催化性能外，BiOBr的表面和界面电子结构也可在非光照条件下促进氧化剂的活化过程[24], [25]。因此，将Ni金属簇团负载在BiOBr表面不仅能够抑制簇团迁移和团聚，还能通过金属-半导体界面相互作用调节局部电子分布，促进电子转移和PMS活化[26], [27]。然而，目前仍缺乏对Ni簇团/BiOBr界面协同效应及其在PMS活化过程中电子转移和活性物种生成机制的系统研究。

基于此，本研究构建了一种Ni金属簇团/BiOBr复合催化系统，以NOR为目标污染物，重点关注Ni簇团与BiOBr之间的界面协同效应及其对PMS活化的促进机制。通过材料表征、活性物种分析和电化学测试，阐明了催化过程中的电子转移行为和活性氧物种的作用途径，并研究了水环境条件和循环使用对催化性能的影响，为基于金属簇团的PMS活化催化剂的界面设计和机理研究提供了理论依据。

章节片段

材料

诺氟沙星（NOR，AR 98%）、硝酸铋（(BiNO₃)₃·5H₂O，AR 98%）、乙二醇（(CH₂OH)₂，AR 99%）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF，AR 98%）、2-氨基-1,4-苯二甲酸（NH₂-BDC，AR 99%）、四丁基钛酸酯（TBOT）、氢氧化钠（NaOH，AR 99%）、盐酸（HCl，AR 99%）、草酸钠（Na₂C₂O₄，AR 98%）、无水甲醇（MeOH，AR 98%）、乙醇（EtOH，AR 98%）、碘化钾（KI，AR 99%）、糠醛（FFA，AR 98%）、异丙醇（IPA，AR 98%）、对苯醌（p-BQ，AR 98%）、5,

表征分析

为揭示复合材料的纳米级结构细节，采用扫描电子显微镜（SEM）和高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）进一步分析复合材料的内部晶体结构、界面键合行为和纳米尺度局部形貌[30]。如图1(b)所示，Ni-MC样品呈现出由超薄纳米片组装而成的均匀三维互连网络结构，形成多孔的，

结论

本研究成功制备了一种Ni金属簇团/BiOBr复合催化剂，并系统地研究了其结构特征、界面电子行为以及PMS活化降解NOR的性能和机理。表征结果表明，Ni金属簇团均匀分散并稳定锚定在BiOBr表面，在两相之间形成紧密的界面接触，同时BiOBr的晶体结构

利益冲突

作者声明他们没有已知的竞争利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

未引用参考文献

[22]; [28]; [29]

CRediT作者贡献声明

Rui Qi：方法论、调查、数据整理、概念构思。Xinwang Liang：数据整理、概念构思。Shan Zhang：数据整理。Lian Liu：数据整理、概念构思。Zhi Song：资源、资金获取。Boxia Liu：监督、资金获取。Chuhan Xing：数据整理、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争利益或可能影响本文所报告工作的个人关系。

致谢

本工作得到了2025年自治区级本科创新训练项目（S202511407050）的支持。

Rui Qi|Lian Liu|Xinwang Liang|Shan Zhang|Boxia Liu|Chuhan Xing|Zhi Song