Fe0和碳缺陷协同作用的电化学系统能够高效生成单线态氧，从而低成本净化医疗废水

《Water Research》：Fe0 and carbon defects synergistically powered electrochemical system efficiently generates singlet oxygen for low-cost purification of medical wastewater

Fe-NC-1000催化剂通过Fe?与碳缺陷协同作用实现高效电芬顿处理，选择性生成单线态氧提升有机污染物降解效率，并创新设计夹层催化模块解决催化剂回收难题，能耗低至0.046 KWh·m?3，电极成本仅为铂镀电极的1/34。

　　这项研究聚焦于医疗废水处理领域，提出了一种创新的解决方案，旨在克服传统电-Fenton技术在实际应用中面临的挑战。随着医疗行业的发展，医疗废水的排放量逐年增加，中国每年排放约4.5亿吨医疗废水，这些废水中通常含有复杂的污染物，如药物残留、重金属、病原微生物和消毒剂。这些污染物不仅可能导致微生物抗性、生态毒性，还可能引发传染病（如霍乱）的爆发，对水生态系统和人类健康构成严重威胁。因此，开发高效、低成本的废水处理技术成为当前环境科学的重要课题。

电-Fenton技术作为一种先进的氧化方法，能够将氧气（O?）转化为过氧化氢（H?O?），随后进一步激活以生成活性氧物种（ROS）。相比传统的医疗废水处理技术，该方法避免了H?O?储存和运输过程中可能带来的安全隐患和腐蚀问题，实现了H?O?的原位生产与激活。然而，医疗废水的复杂基质常常导致ROS与非有毒小分子和无机离子发生非选择性反应，造成氧化剂用量过多、处理成本上升和能耗增加，严重限制了电-Fenton技术的实际应用效果。此外，在H?O?转化为单线态氧（1O?）的类似Fenton反应中，由于H?O?的大规模使用成本较高，以及1O?的转化率较低，使得该技术在实际应用中面临诸多挑战。

为了解决这些问题，研究人员提出了多种策略，如优化H?O?的吸附配置、调节电子自旋状态以及调整活性位点的配位环境等。虽然这些方法在一定程度上取得了进展，但在实际操作过程中，竞争反应的干扰仍然是限制其应用的主要瓶颈。因此，开发能够实现高效H?O?转化至1O?的电-Fenton系统成为研究热点。

在本研究中，开发了一种低成本的双位协同催化剂Fe-NC-1000，用于医疗废水处理。该催化剂结合了零价铁（Fe?）和碳缺陷两种成分，通过双位协同机制实现了对H?O?的高效转化，使其能够选择性地生成1O?。碳缺陷作为电子陷阱，有效促进了2e?的氧气还原反应（ORR），从而提高了H?O?的产量和选择性。而Fe?不仅能够高效激活H?O?，还能通过空间限制作用，调控羟基自由基（·OH）和超氧自由基（·O??/·OOH）的反应区域，显著促进它们向1O?的选择性转化。这一设计使得催化剂在复杂的水质条件下仍能保持良好的降解性能，并有效提高了氧化剂的利用率，降低了水处理的能耗和成本。

实验结果显示，Fe-NC-1000表现出优异的降解性能，能够在30分钟内实现96.3%的磺胺甲噁唑（SMX）去除率，并达到62.5%的化学需氧量（COD）降低峰值。与NC-1000相比，其降解速率提高了11.4倍。此外，Fe-NC-1000具有低能耗、低成本、强抗干扰能力和良好的可回收性等优点。研究人员还基于Fe-NC-1000开发了多种设备，如夹层催化模块电催化反应器，该反应器通过将粉末催化剂封装在双层碳毡之间，解决了粉末催化剂在实际应用中难以回收和容易中毒的问题。该反应器在空气条件下每立方米的电能消耗仅为0.046 KWh，每平方米电极的成本仅为铂镀电极的1/34，展现出显著的成本优势和实际应用潜力。

本研究提出的双位协同策略，不仅提高了H?O?的转化效率，还实现了1O?的选择性生成，为解决水处理过程中的高成本和高能耗问题提供了新的思路。通过精确调控H?O?的原位生成以及1O?的选择性转化，该技术有望在实际应用中发挥更大的作用。此外，低成本的生物质衍生碳材料在电催化领域展现出巨大的潜力，因其具有良好的可持续性和经济性。相比传统的贵金属催化剂，碳纳米材料不仅原料来源丰富、制造成本低，还具有可调的电子结构，使其成为设计高效电催化剂的理想基底。特别是通过引入工程缺陷，可以创建丰富的2e? ORR活性位点，从而显著提高H?O?的产量和选择性。因此，缺陷工程碳材料成为实现H?O?原位生成的重要平台。

然而，单一类型的碳缺陷材料在后续H?O?激活过程中表现出一定的局限性，这在一定程度上限制了其在高级氧化过程中的实际应用。为了解决这一问题，研究团队提出了一种双位协同催化剂的设计方案，即将Fe?锚定在缺陷工程的碳基底上。这种设计不仅能够防止Fe?的聚集和表面氧化，还能促进界面电荷转移，调节金属簇的电子结构，从而实现H?O?的高效原位生成，并显著提高·OOH和·OH的产量。该催化剂在实验中表现出良好的性能，能够在短时间内实现较高的有机物去除率，同时保持较低的能耗和成本。

综上所述，本研究通过开发Fe-NC-1000双位协同催化剂，结合夹层催化模块电催化反应器，为医疗废水处理提供了一种高效、低成本、抗干扰能力强的解决方案。该技术不仅提高了氧化剂的利用率，还降低了水处理的能耗和成本，具有广阔的应用前景。未来，进一步优化催化剂的结构和性能，提高其在复杂水质条件下的稳定性，将是推动该技术在实际应用中发挥更大作用的关键。同时，探索更多类型的催化剂和反应器设计，也将有助于拓宽电-Fenton技术的应用范围，提高其在环境保护领域的贡献。