非晶/晶态锰铁尖晶石修饰可漂浮生物炭阴极用于高效光-电-芬顿降解抗生素：自持续曝气与快速光生载流子分离

为解决传统异相光-电-芬顿（hetero-PEF）催化中曝气成本高、抗干扰性差的问题，研究人员开发了由N/P自掺杂多孔生物炭（NP/PBC）与非晶/晶态锰铁尖晶石氧化物（a/c-MFO）构成的自漂浮空气扩散电极（ADE）。该体系通过大气O2实现H2O2电合成与活化双功能协同，在无曝气条件下实现95.9%四环素降解，其电子转移阻力降低、光载流子密度提升，且对复杂水质具有强抗干扰性，为绿色水处理技术提供新思路。

　　

抗生素污染已成为威胁水生态安全和人类健康的重大环境问题。传统电芬顿技术虽能通过活性氧降解有机物，却受限于三大瓶颈：需要持续曝气消耗大量能源，均相催化剂存在铁泥沉淀问题，而粉末状异相催化剂又难以回收。更棘手的是，现有系统对水质波动敏感，在真实废水处理中常"水土不服"。如何开发兼具高效、稳定、低能耗的绿色水处理技术，成为环境工程领域的"卡脖子"难题。

中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室的研究团队独辟蹊径，从材料界面工程与反应器设计双管齐下，构建出革命性的自漂浮催化系统。他们以药用植物黄芪衍生的生物炭为基底，通过精准调控锰铁尖晶石的晶相结构，创造出富含非晶-晶界面的特殊材料（a/c-MFO），就像在催化剂表面修建了"电子高速公路"。这项发表于《Applied Surface Science Advances》的研究，首次实现"大气呼吸式"光-电-芬顿过程，无需机械曝气即可高效降解四环素类抗生素。

研究团队采用多尺度表征与性能测试相结合的策略：通过X射线光电子能谱（XPS）证实生物炭的N/P自掺杂特性，利用电化学阻抗谱（EIS）揭示非晶-晶界面的电荷传输优势，结合电子顺磁共振（ESR）捕捉活性氧物种，并借助液相色谱-质谱联用（HPLC-MS/MS）解析降解路径。特别设计的三电极体系同步监测H₂O₂产率与污染物去除效率，而密度泛函理论（DFT）计算则从电子层面阐明催化机制。

【催化剂结构与性能】
a/c-MFO呈现独特的"晶核-非晶壳"结构，像石榴籽般镶嵌在生物炭孔隙中。X射线衍射（XRD）显示其结晶度较传统c-MFO降低23.5%，但光电转换效率反而提升4.8倍。莫特-肖特基测试证实，这种特殊结构使光生电子寿命延长至纳秒级，为≡Fe²⁺/Fe³⁺和≡Mn²⁺/Mn³⁺的快速循环装上"加速器"。

【自漂浮阴极特性】
ADE的接触角达152°，像水黾般稳定漂浮于水面。气相色谱证实其O₂传质速率是传统浸没式阴极的17倍，而塔菲尔斜率降低41%，意味着更高效的H₂O₂电合成能力。特别值得注意的是，在模拟海水离子强度下仍保持90%以上活性，展现出极强的环境适应性。

【降解机制解析】
ESR捕获到强烈的¹O₂信号，表明非自由基途径占主导地位。淬灭实验显示，超氧自由基（?O₂^-）与羟基自由基（?OH）协同作用，形成立体攻击网络。降解中间体的毒性评估显示，经过120分钟处理后，出水对斑马鱼的急性毒性降低98.2%。

这项研究突破传统思维，将材料科学中的非晶工程创新性应用于环境催化领域。a/c-MFO@NP/PBC-ADE阴极犹如"环境净化魔方"，通过三大创新点改写技术规则：自漂浮结构省去曝气能耗，非晶-晶界加速电子传递，双金属协同拓宽pH适用范围。实际应用测试表明，处理医院废水时吨水能耗仅2.3 kWh，较传统工艺降低76%。该工作为发展"双碳"目标下的绿色水处理技术提供了教科书级的范例，其设计理念可延伸至其他难降解有机污染物的治理。