综述：超富集植物衍生生物炭催化剂用于过硫酸盐活化：构效关系及调控策略

《Journal of Hazardous Materials》：Hyperaccumulator-Derived Biochar Catalysts for Persulfate Activation: Structure-Activity Relationships and Regulation Strategies

　　富集超富集植物生物质可产生用于水处理的全绿过硫酸盐催化剂生物预分散金属在热解过程中有利于单原子位点的形成超富集植物位点驱动选择性非自由基过硫酸盐活化超富集植物中的天然锚定机制可防止有毒金属浸出内源性掺杂的全球变暖潜势低于外源性替代方案**引言**目前，全球环境安全面临着传统污染物和新污染物双重挑战[1]。工业、农业和国内废水中的难降解有机化合物往往在 aquatic 生态系统中持续存在，形成长期生态风险[2]、[3]。与此同时，新兴污染物（如抗生素和微塑料）以结构复杂和环境持久性为特征[4]、[5]，这进一步增加了水修复的难度。传统处理技术存在明显局限性。物理方法（如沉淀和过滤）仅实现污染物的相转移而非降解[6]。生物处理过程往往受到微生物活性和波动环境条件的限制[7]、[8]。此外，传统化学氧化法对高度难降解污染物往往效果有限，且伴随较大的化学药剂用量和能耗需求[9]、[10]。因此，开发高选择性和高效的高级处理技术已成为水污染控制领域的核心需求。近年来，基于过硫酸盐的高级氧化工艺（PS-AOPs）因其对难降解有机化合物的优异去除性能而受到广泛关注[11]、[12]。PS一旦被激活，可产生高反应活性的硫酸根自由基（SO₄^•-，2.5–3.1 V）[13]，在广泛的pH范围（4–11）内表现出高反应活性和稳定性[14]、[15]。然而，由于PS具有高O-O键能和对称分子结构，其在常温下保持化学稳定性[16]，需要高效催化剂来启动活性氧物种（ROS）的释放[17]。因此，开发环境友好、低成本和高活性的PS催化剂仍然是该技术大规模工程应用的关键瓶颈。传统过硫酸盐（PS）催化剂主要依赖于合成金属氧化物（如Fe₃O₄、MnO₂）或贵金属（如Pt、Ru）[18]。然而，这些催化剂受到资源稀缺、合成成本高和二次污染风险等问题的制约[19]、[20]。相比之下，超富集植物衍生生物炭（HDB）提供了一种克服上述局限性的有前景的绿色方法。图1展示了利用超富集植物作为PS活化剂的发展路径，追踪了从"超富集植物"概念到其在PS活化中当前功能的演变。超富集植物具有选择性地螯合和富集高浓度金属元素（如Fe、Mn、Ni）的独特能力[21]、[22]，从而提供了一种广泛且低成本的生物质原料[23]、[24]。值得注意的是，超富集植物中的重金属以"金属-有机配合物"的形式在分子水平上天然预分散。在转化为催化剂的热化学过程中，这种独特的内源性分布不仅有助于形成具有高比表面积的分层多孔碳骨架[25]，还促进了原子分散的金属活性位点的自发形成。这一策略避免了传统催化剂制备中涉及的高能耗和有毒试剂[26]、[27]，为高性能PS-AOPs材料的可持续设计提供了途径。近年来，已有数篇综述系统地总结了超富集植物的热化学处理、重金属迁移和资源化利用，以及超富集植物前驱体特征与含单原子位点催化剂形成之间的关系[26]、[28]。然而，这些研究尚未建立HDB催化剂在PS-AOPs中从生物前驱体特征和热解诱导的结构重构到实际水处理性能的结构-功能连续关系。需要强调的是，超富集植物本身并不是直接参与PS活化的催化材料；相反，在热解之前，它们提供了以内源性金属富集和生物预分散为特征的前驱体结构。通过热解形成的HDB才是后续PS-AOPs中实际使用的催化材料。据此，本综述聚焦于基于HDB的PS-AOP催化体系，系统地将超富集植物前驱体特征、热解诱导的金属和碳结构重构、活性位点形成、PMS/PDS活化机制以及催化性能联系起来。在此基础上，我们进一步评估了PS利用效率、对复杂水基质的适应性、催化稳定性以及HDB的工程适用性和实际局限性。因此，本综述旨在阐明连接超富集植物前驱体特征、热解结构重构、HDB催化活性以及PS-AOP应用性能的结构-功能-性能关系，并据此提出HDB催化材料的结构调控策略和未来发展方向。**部分摘要****HDB前驱体与结构**与通过浸渍或沉淀制备的传统外源性金属掺杂生物炭（EDB）不同，HDB的独特之处在于其金属组分在热化学转化之前已经在生物体内经历了分子水平的预分布。这一特征决定了其热解过程不仅是碳载体的形成，更是活性位点的受控构建过程。**催化机理**HDB在PS-AOPs中展现出的高效性并非生物质和金属属性的简单叠加。它是内源性金属与碳基质在热解过程中深度耦合形成的特异性活性微环境的结果。这种吸附-活化协同过程在原子尺度上重塑了反应动力学。**HDB在PS-AOPs中的应用**目前，HDB/PS-AOP研究主要聚焦于控制水体环境中的有机污染物，在工业废水、受污染地表水和地下水方面具有潜在应用。现有研究大多仍使用实验室规模的模拟水体系，并通过添加无机阴离子、天然有机物和其他共存组分来评估对复杂水基质的适应性；因此，在实际工业废水中的工程应用仍然……**环境影响**HDB的核心价值并非源于这些金属元素本身的类型或资源属性。相反，在热解之前，内源性金属通过植物吸收、转运、螯合和细胞区室化实现了生物预分散，并与植物组织中含O、N或S的组分形成局部配位环境[95]、[96]。在热解过程中，内源性金属与源自……的碳基质的协同热化学演变……**结论与展望**本综述系统总结了HDB在PS-AOPs中的最新研究进展和独特优势。与传统EDB相比，HDB依赖于内源性金属预分散的天然特性。在热解过程中，它不仅有效避免了金属团聚问题，还自发构建了稳定的原子分散活性中心和丰富的拓扑缺陷结构。HDB通过内在催化平台活化PMS和PDS……**重要性声明**本综述概述了重金属超富集植物衍生生物炭（HDB）的环境效益。种植这些植物可从土壤中提取重金属，实现源头修复，同时将废物转化为有价值的催化剂，实现可持续的"变废为宝"途径。在过硫酸盐活化体系中，用HDB替代传统高能耗外源性催化剂，可显著减少化学消耗、经济成本和整体碳足迹。通过……**CRediT作者贡献声明****陈冠义：** 撰写——审阅与编辑，形式分析。**梁兰：** 撰写——审阅与编辑。**徐晶磊：** 撰写——审阅与编辑。**王瑞：** 撰写——审阅与编辑。**严贝贝：** 撰写——审阅与编辑，监督，概念化。**李宁：** 撰写——初稿，可视化，验证，监督，项目管理，方法论，形式分析，数据整理。**王洋浩：** 撰写——初稿，可视化，数据整理。**利益冲突声明**作者声明，他们没有已知的与本文报告工作相关的竞争性经济利益或个人关系。**致谢**本工作得到了国家自然科学基金（52570170）、国家重点研发计划（2025YFE0116600）、天津市青年科技人才项目（QN20230214）、天津市自然科学基金（24JCYBJC01290）、天津市科技计划项目（25ZXCKQY00110、25ZYCGYS00230）以及拉萨市科技计划项目（LSKJ202631）的支持。**作者**李宁 | 王洋浩 | 梁兰 | 徐晶磊 | 王瑞 | 严贝贝 | 陈冠义