氮掺杂生物炭负载锰铁双金属氧化物构建内建电场协同活化过硫酸盐降解邻苯二甲酸酯的机制研究

本研究针对双金属氧化物-氮掺杂生物炭(MnFe2O4-NBC)催化体系电子转移机制不明的科学问题，通过水热-煅烧法制备催化剂，系统探究氮掺杂对过硫酸盐(PMS)活化效能的影响。研究发现氮掺杂可建立内建电场，促进电子转移并加速Fe(II)/Fe(III)与Mn(II)/Mn(III)氧化还原循环，实现93.3% DIBP降解效率，为设计高效非均相芬顿催化剂提供新思路。

　　

塑料增塑剂邻苯二甲酸二异丁酯(DIBP)作为环境内分泌干扰物，具有生殖发育毒性，传统水处理技术难以有效降解。基于过硫酸盐(PMS)的高级氧化工艺(AOPs)虽能产生强氧化性活性物种，但现有催化剂存在金属团聚、电子转移效率低等瓶颈问题。华南理工大学环境与能源学院的研究团队创新性地将氮掺杂工程与双金属氧化物耦合，在《Journal of Water Process Engineering》发表的研究中揭示了氮掺杂生物炭负载锰铁氧体(MnFe₂O₄-NBC)的多重增效机制。

研究采用水热合成结合高温煅烧技术，通过调控尿素与生物质比例(0-3)制备不同氮掺杂量催化剂，结合电子顺磁共振(ESR)、电化学测试和密度泛函理论(DFT)计算等手段，系统解析了材料结构与性能关系。

催化剂表征显示氮掺杂使生物炭表面形成吡啶N、吡咯N等活性位点，MnFe₂O₄颗粒均匀分散在三维多孔碳骨架中，比表面积达217.6 m²/g。X射线光电子能谱(XPS)证实氮掺杂诱导电荷重分布，在MnFe₂O₄与NBC界面形成内建电场。

降解性能实验表明，当氮碳比(N/C)为2时，MnFe₂O₄-NBC/PMS体系60分钟内DIBP去除率达93.3%，反应速率常数(k)较未掺杂样品提升2.3倍。淬灭实验与ESR检测证实体系同时存在自由基(·OH、SO₄·^-、·O₂^-)和非自由基(¹O₂)路径。

机理分析揭示氮掺杂的三重作用：(1)增加缺陷位点数量，PMS吸附容量提升48%；(2)通过Fe-N_x配位结构抑制金属浸出(Mn浸出量<0.05 mg/L)；(3)内建电场驱动电子从NBC向MnFe₂O₄定向转移，使Fe(II)/Fe(III)和Mn(II)/Mn(III)氧化还原循环速率提高1.8倍。

该研究首次阐明氮掺杂量-电子转移效率-催化活性的定量关系，提出的"双金属协同-内建电场"增强机制为设计高效稳定的水处理催化剂提供了理论依据。所开发的MnFe₂O₄-NBC材料在宽pH范围(3-9)保持优异性能，对实际水体中多种新兴污染物均展现普适性降解能力，具有重要工程应用价值。