第一作者：Feng Wang
通讯作者：卞兆勇 教授
通讯单位：北京师范大学
通讯作者：王辉 教授
通讯单位：北京林业大学
DOI：10.1016/j.seppur.2023.125241
在此，纳米纤维状 Co3O4 与片状无氟 MXene（Ff-Ti3C2Tx）自组装，制备出 Ff-Ti3C2Tx-Co3O4 纳米纤维状层状结构。得益于独特的结构，Ff-Ti3C2Tx-Co3O4 在 pH 值为 4-10 的范围内表现出卓越的降解催化活性（接近 100%），并能抵抗离子干扰。通过真空过滤制备的 Ff-Ti3C2Tx-Co3O4 膜可渗透 220 毫升城市污水进水基质中的磺胺甲噁唑（SMX），且去除率保持在 95% 以上。此外，PMS 的分解与 SMX 的降解呈线性相关，每毫摩尔 PMS 可氧化 0.425 毫摩尔 SMX。同时，电子迅速从 Ff-Ti3C2Tx-Co3O4 转移到 PMS，消耗 HCO5- 并产生可转移的活性物种（Ff-Ti3C2Tx-Co3O4-PMS*）。SMX 的快速降解机制涉及 Ti2+/Ti3+⇋Ti4+ 和 Co2+⇋Co3+ 与 PMS 的氧化还原循环中的快速电子转移。此外，还通过 PMS→-O2-→1O2 生成了 1O2。这项工作为基于 PMS 活化的抗生素降解和电子传递机制提供了新的启示。
在我们的工作中，我们以 Ff-Ti3C2Tx 为基底，通过与 Co3O4 的自组装，成功地构建了纳米纤维状层状 Ff-Ti3C2Tx-Co3O4。纳米纤维状 Co3O4 与 Ff-Ti3C2Tx 的自组装实现了快速传质，并最大限度地利用了每个活性位点，从而有效激活 PMS 降解抗生素。这项工作的目的是：（1）表征制备的 Ff-Ti3C2Tx-Co3O4 的理化性质；（2）系统研究材料复合比、催化剂剂量、pH 值、PMS 剂量和阴离子对 SMX 催化效率的影响；（3）确定 Ff-Ti3C2Tx-Co3O4/PMS 系统与 SMX 降解之间的定量关系；(4) 通过猝灭实验、EPR 测试和探针实验量化活性物种并确定贡献率；(5) 通过 XPS 表征、原位表征和电化学相关测试阐明活化 PMS 机制；以及 (6) 确定反应中间体、毒性和可能的降解途径。
Fig. 1. (a) Schematic illustration of the Ff-Ti3C2Tx-Co3O4 synthesis; SEM image of (b) Co3O4, (c, d) Ff-Ti3C2Tx-Co3O4; (e, f) TEM, (g) SAED, (h) AFM and (i-l) EDS image of Ff-Ti3C2Tx-Co3O4.
Fig. 2. (a) XRD patterns, (b) FTIR spectra, (c) N2 adsorption–desorption isotherms curve, and (d) XPS survey spectra of Co3O4, Ff-Ti3C2Tx, and Ff-Ti3C2Tx-Co3O4.
Fig. 3. (a, b) Degradation performance and corresponding rate constants (k) for different materials; (c) effect of the material composite ratio and accumulative Co leaching; (d, e) SMX degradation performance and corresponding k values under different pH conditions; (f) effect of PMS concentration and corresponding k values (insert); (g, h) PMS consumption and its first-level kinetic fit; (i) relationship between SMX degradation and PMS consumption. Conditions: [SMX]0 = 20 mg⋅L−1, [catalyst]0 = 2 mg, [PMS]0 = 0.2 mM, and room temperature.
Fig. 4. (a, b) SMX removal performance in various water matrixes and corresponding k values; (c) the reusability of Ff-Ti3C2Tx-Co3O4 in five runs; (d) the degradation efficiency of various antibiotics in the Ff-Ti3C2Tx-Co3O4/PMS system; (e) SMX removal performance with the Ff-Ti3C2Tx-Co3O4 membrane. Conditions: [SMX]0 = 20 mg⋅L−1, [catalyst]0 = 2 mg, [PMS]0 = 0.2 mM, and room temperature.
Fig. 5. (a) Effects of various quenching agents on the SMX removal performance. The EPR spectra obtained by (b, c) DMPO trapping and (d)TEMP trapping for determination of ·OH, SO4·−, ·O2−, and 1O2. Conditions: [SMX]0 = 20 mg⋅L−1, [catalyst]0 = 2 mg, [PMS]0 = 0.2 mM, and room temperature.
Fig. 6. (a) EIS spectra of different samples; (b) LSV curves under different condition; (c) chronoamperometry curve under different condition; (d) open-circuit potential of the Ti3C2Tx-Co3O4; (e) In-situ FTIR, (f) In-situ Raman spectra of different reaction conditions.
本研究通过 Ff-Ti3C2Tx 与 Co3O4 纳米纤维的自组装成功制备了 Ff-Ti3C2Tx-Co3O4。通过自组装，可以最大限度地利用每个活性位点，实现快速传质，从而活化 PMS，降解常见抗生素。同时，20 分钟内对 SMX、磺胺嘧啶、环丙沙星、双氯芬酸钠和盐酸四环素的去除率分别为 99.89%、99.62%、97.22、99.94% 和 98.51%。通过真空过滤制备了 Ff-Ti3C2Tx-Co3O4 膜，其对城市污水进水基质中 SMX 的去除率在 900 分钟内保持在 95% 以上。通量保持在 11.5 L-m-2-h-1（220 mL 废水透过膜）。降解 SMX 的 -OH、SO4-、-O2- 和 1O2 的相对贡献率分别为 35.4%、6.7%、17.9% 和 40%。根据 EPR 测试、淬火经验、电化学测量和 XPS 表征，提出了一种可能的活化机制。原位傅立叶变换红外光谱和原位拉曼光谱表明，Ff-Ti3C2Tx-Co3O4 和 PMS 之间发生了快速电子转移，消耗了 HCO5- 并产生了活性物质。ROS 中的所有 O 均来自 PMS 和 Ti3C2Tx-Co3O4 的晶格氧，而不是溶解氧。这项研究为了解基于 PMS 活化的快速电子传递机制以及抗生素降解过程中活性氧的转化提供了新的视角。
Feng Wang, Zhaoyong Bian, Yiyin Peng, Yaru Zhang, Wenchao Yu, Qiang Zhang, Hui Wang, Rapid peroxymonosulfate activation by self-assembly of layered fluorine-free MXene with nanofibrous Co3O4: Antibiotic degradation and electron transfer mechanism, Separation and Purification Technology, 2024, https://doi.org/10.1016/j.seppur.2023.125241
声明：本公众号仅分享前沿学术成果，无商业用途。如涉及侵权，请立刻联系公众号后台或发送邮件，我们将及时修改或删除！
邮箱：Environ2022@163.com
欢迎大家将《水处理文献速递》加为星标
即时获取前沿学术成果
若有帮助，请点击“在看”分享！
投稿、转载请扫描下方二维码联系小编吧
