南京理工大学J. Environ. Sci. | 一步法合成铁镁氧化物/水热炭复合材料强化过一硫酸盐活化实现水土体系有机物高效降解

1. 研究背景及意义

在复杂环境修复领域，抗生素（如四环素）和内分泌干扰物（如双酚类）等难降解有机物的广泛积累，对水体和土壤生态系统构成了严峻挑战。基于碳基材料（如水热炭）活化过一硫酸盐的高级氧化技术因其绿色环保受到广泛关注，但其往往受限于活性位点不明确、本征催化活性较低以及在复杂土壤基质中极易失活等核心痛点。

为突破这一技术瓶颈，本研究提出了一种结合双金属氧化物与碳基载体的创新设计思路。作者通过一步水热法，将铁镁双金属氧化物原位包覆于水热炭骨架中，构筑了新型复合催化材料。该策略的巧妙之处在于：利用镁提供稳定的载体结构并调控非自由基反应路径，利用铁的高效氧化还原循环活化过氧键，同时发挥水热炭丰富的表面官能团和孔隙结构优势，实现组分间的强电子转移与协同增效。

该研究的意义不仅在于开发了一种兼具高催化活性与优异稳定性的低成本复合材料，更重要的是，它系统评估了该体系在水相和土壤多相环境中的适用性。这项工作为设计适用于复杂多介质环境修复的高效异相催化剂提供了重要的方法学指导，并在实际污染场地的绿色生态修复中展现出巨大的潜在应用价值。

2. 主要研究结果

2.1 材料设计与合成

研究人员采用一步水热合成法，将铁镁双金属前驱体与生物质原料结合，成功构筑了铁镁氧化物/水热炭复合材料（FeMgO/HC）。与传统单金属掺杂或物理混合的体系相比，该策略的新颖之处在于利用水热炭作为有效载体，克服了双金属氧化物易团聚的缺陷，在保留碳材料丰富含氧官能团的同时，实现了铁镁双金属在碳骨架中的高度分散与界面强相互作用。

2.2 结构与表征亮点

扫描电子显微镜和能谱元素映射分析显示，铁镁氧化物颗粒均匀分散在水热炭的多孔结构中。X射线衍射和X射线吸收近边结构光谱揭示了材料中形成了尖晶石结构的铁酸盐（如磁铁矿和铁酸镁），并且铁元素在复合材料中主要以+3价形式存在。傅里叶变换红外光谱保留了各组分的特征官能团峰，而热重分析证实了铁镁氧化物的引入显著提升了水热炭的热稳定性。这些关键表征确凿地证明了双金属氧化物与水热炭基底实现了成功的结构整合。

2.3 核心性能表现

在水相降解实验中，当四环素初始浓度为20 mg/L、过一硫酸盐为0.5 mmol/L、催化剂为0.5 g/L时，FeMgO/HC体系在30分钟内实现了95.4%的四环素去除。动力学分析显示其反应速率常数达到0.1968 min-1，是单纯水热炭体系的5倍以上。对于难以被纯水热炭降解的双酚A和双酚B，复合体系在6小时内均实现了超过80%的去除率。在循环稳定性方面，经过连续六次测试，四环素的去除率仍保持在86.79%，且反应后铁和镁的溶出量分别仅为1.70 mg/L和4.26 mg/L。在实际土壤修复应用中，添加20 mg/g复合材料和10 mmol/L过一硫酸盐，可实现受污染土壤中97.1%的双酚B降解。

2.4 机理验证

作者综合运用原位捕捉和电化学技术确立了体系的反应机理。通过电子顺磁共振谱和淬灭控制实验，直接验证了体系中同时存在自由基和非自由基路径，并定量计算出单线态氧（40.47%）、羟基自由基（25.33%）、超氧自由基（23.88%）和硫酸根自由基（16.65%）的相对贡献。电化学测试（线性伏安扫描和电流-时间曲线）直接证实了在三元体系中存在快速的界面电子转移过程。反应前后的X射线光电子能谱直接捕捉到含氧官能团、氧空位的消耗，以及二价铁比例从13%显著上升至34%的动态变化。基于上述直接证据，作者合理推断：氧空位和富电子碳骨架不仅直接参与活化，还作为电子供体促进了三价铁向二价铁的还原，再生的二价铁进而高效激发自由基的生成，形成了持续稳定的催化循环机制。

3. 研究结论

本研究成功开发了一种新型铁镁氧化物/水热炭复合催化材料，有效激活过一硫酸盐并在水体和土壤环境中实现了抗生素及内分泌干扰物的高效降解。该工作的真正贡献在于明确了碳骨架、氧空位与双金属氧化还原中心之间的协同电子转移机制，并证实了该材料在显著削减土壤目标污染物的同时，能够有效提升土壤有机质含量及微生物群落多样性，为未来开发兼具去污效能与生态兼容性的高级氧化修复技术提供了具有启发性的新认识。

https://doi.org/10.1016/j.jes.2026.04.003