磺胺类抗生素（如磺胺甲噁唑SMX）是水环境中频繁检出的一类新型污染物，其通过生态循环促进抗性基因的扩散。硫酸根自由基高级氧化技术是去除这类顽固性有机物的有效手段。开发兼具高催化活性和易分离回收的催化剂是该技术工程化的关键。锰铁氧体（MnFe₂O₄）是一类重要的尖晶石型磁性材料，其晶格中同时存在Fe²⁺/Fe³⁺和Mn²⁺/Mn³⁺的多重氧化还原对，对PMS具有极高的催化活化效率。然而，纯MnFe₂O₄纳米颗粒因强大的磁偶极相互作用极易团聚，将其负载于高比表面积的生物炭上是理想的解决方案。生物炭不仅可以分散纳米颗粒，其表面丰富的含氧官能团和持久性自由基还能辅助活化PMS，产生协同增效。

  本研究通过一步水热法在稻壳生物炭上原位生长了分散均匀的MnFe₂O₄纳米颗粒。XPS和EXAFS分析证实了生物炭与MnFe₂O₄之间存在强烈的界面电子相互作用。在活化PMS降解SMX的实验中，MnFe₂O₄/BC的催化活性远超单一MnFe₂O₄、单一BC及其物理混合物，展现了显著的协同效应。20分钟内可将20mg/L的SMX近乎完全去除，总有机碳（TOC）去除率超过50%。更为突出的是，该复合催化体系在含有高浓度Cl⁻、HCO₃⁻和腐殖酸的复杂水体中，对SMX的降解效率几乎不受影响。电子顺磁共振和自由基捕获实验证实，该体系中除了SO₄·⁻和·OH外，单线态氧（¹O₂）也扮演了关键的降解角色。

  密度泛函理论（DFT）计算从原子层面揭示了Mn和Fe的协同机理。PMS分子优先吸附在Mn位点上，通过Mn与PMS的O-O键之间的强电子转移，使得O-O键被显著拉伸和弱化。相邻的Fe位点则通过提供额外的电子，辅助完成O-O键的断裂。这种Mn-Fe双位点的接力协同，大幅降低了PMS活化的能垒。催化反应完成后，利用MnFe₂O₄的磁性，通过外加磁场可快速分离回收催化剂。连续循环实验表明，催化剂在5次使用后仍保持较高的活性和稳定的结构，金属离子浸出浓度极低。该研究为设计绿色、高效、可回收的磁性生物炭基高级氧化催化剂，用于水中抗生素的深度去除，提供了理论与实验的详尽支撑。

标签: