合肥研究院孔令涛团队发展出类芬顿催化剂实现选择性降解土霉素

近期，中科院合肥研究院固体所环境材料与污染控制研究部孔令涛研究员团队发展出一种空心无定型钴碳化物（ Co/C）类芬顿催化剂，能高效活化 过氧化氢( H₂O_2⁾产生单线态氧（ ¹ O₂），实现了对污染物土霉素的选择性降解。相关研究成果以“ Efficient generation of singlet oxygen (¹O₂) by hollow amorphous Co/C composites for selective degradation of oxytetracycline via Fenton-like process”为题发表在 Chemical Engineering Journal 期刊上。

土霉素是畜牧养殖领域最常见的一种四环素类抗生素。由于长期的滥用和无序排放，致使大量土霉素被检测出残留在水、土壤等介质中。环境中的土霉素虽然浓度低（ng/L-μg/L），但是生物稳定性强，常规技术手段无法实现有效去除，长期的迁移转化会存在未知的生态危害。

类芬顿氧化是一种简单高效的高级氧化技术，是当前水污染深度处理领域的研究热点。类芬顿体系产生的活性氧物种如羟基自由基（·OH）和硫酸根自由基（SO₄·^-）具有强的氧化还原电位，能够实现对有机污染物的高效降解乃至矿化。但由于实际水样中存在无机盐离子和天然有机物的干扰，使得·OH和SO₄·^-的氧化容量受到削弱，造成过氧化物使用量的增加，成本提高。近年来人们发现，¹O₂作为一种亲电子的非自由基，对环境基质表现出优异的抗干扰性，能够实现对含富电子基团有机污染物的选择性去除。然而在大多数类芬顿反应中¹O₂的产率低，贡献小。

研究人员设计并制备了一种空心无定形的钴碳化物（Co/C）催化剂，其表面分布大量含氧官能团，如羰基和羟基。通过优化钴和碳的比例得到Co/C-3材料，实现了在中性pH条件下活化H₂O₂对20ppm土霉素的最优降解。该催化降解体系展现了出色的重复性、稳定性及抗干扰能力。淬灭实验和EPR结果证实，由·O₂^-转化而来的¹O₂是主要的氧化物质，且体系中没有·OH出现。此外，研究人员还借助函数计算和毒理性分析对土霉素的降解途径、中间体和生态风险进行了探索。

博士研究生洪沛东为论文第一作者。上述工作得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金、安徽省科技重大专项及中科大超算中心等项目和单位的支持。

文章链接:

https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.129594。

图1. Co/C材料(HR)TEM和Mapping图。

图2.淬灭实验和EPR自由基检测。

图 3. Co/C+ H₂O₂ 体系活化 H₂O₂ 高效产出 ¹ O₂机理图。

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