地球有限的淡水资源不断受到未经处理或部分处理过的废水排放的污染，这些废水中含有营养物质、需氧物质和病原体等[1]。此外，废水中难降解化合物的存在加剧了这一问题的严重性。在各种难降解化合物中，染料和新兴有机化合物（EOCs）尤其令人担忧，因为它们具有难降解性，并对人类健康和生态系统构成重大风险。染料常见于皮革、纺织、食品和化妆品等行业产生的废水中。EOCs则来源于个人护理产品、制药和纳米材料等行业产生的废水。传统处理技术无法去除这些化合物，因为它们并非专为去除EOCs和染料而设计。目前，在大多数发展中国家和欠发达国家，二级生物处理工艺在废水处理厂中占主导地位，但这些工艺无法有效应对这类污染物，导致这些化合物被排放到环境中[1]。
高级氧化工艺（AOPs），如光催化[2,3]、臭氧氧化[4,5]、光芬顿[6,7]、光电芬顿[8,9]和电芬顿（EF）[10,11]，逐渐被认为是分解废水处理系统中EOCs和染料的有效方法。其中，电芬顿作为一种电化学AOP，能够原位生成羟基自由基（•OH），具有高反应性，可以非选择性分解多种持久性有机污染物[12]。
电芬顿工艺消除了运输和储存危险化学物质（如过氧化氢H?O?）的必要性，因为H?O?是在反应过程中原位生成的。这提高了安全性，降低了运营成本，并促进了可持续的废水管理。尽管有这些优势，但其较高的能耗和运营成本限制了其实际应用[13,14]。因此，迫切需要开发将电芬顿工艺与其他处理方法结合的混合技术，以提高污染物降解效率、降低能耗并增强整个过程的可持续性。近年来，研究重点在于开发创新技术，这些技术能够在产生能量的同时减少能源消耗和污染物排放，引起了广泛关注。在这种背景下，生物电化学系统（BESs）被视为分解难降解污染物并同时产生能量的潜在方法[12]。
近年来，对BESs（如微生物燃料电池MFCs）的研究越来越多地集中在创建混合技术上，以提高适应性、增强处理效率并扩大实际应用范围[12]。生物电芬顿-MFCs（BEF-MFCs）实现了MFC和电芬顿工艺的先进集成，实现了废水的同步处理和能量回收。该系统通过阳极室中的电活性细菌氧化有机物，产生电子。这些电子被阳极捕获并通过外部电路传输到阴极，在那里氧气发生电化学还原生成H?O?。在Fe2?存在下，H?O?参与芬顿反应，生成高活性的羟基自由基（•OH），有效降解多种难降解的有机污染物，包括EOCs和染料。H?O?的原位生成和Fe2?的电再生消除了对外部化学物质的需求，使BEF-MFCs成为一种可持续且经济可行的高级氧化工艺。此外，污染物降解和生物电发电的结合能力使其在分散式废水处理应用中极具吸引力[15]。
该过程的性能、选择性和反应速率受到阴极催化剂特性的显著影响。因此，目前正在进行有关经济型阴极催化剂的研究，例如碳基材料（如炭黑、石墨、石墨烯、碳纤维、碳纳米管等）[16,17]；掺杂杂原子（N、F、B等）的碳材料[18,19,20]、过渡金属掺杂的碳催化剂[21]、基于生物炭的催化剂[22]等。这些材料提高了H?O?的生成量，并为H?O?的电化学生成提供了活性位点。
最近，研究趋势转向用双金属（尤其是铁）和其他过渡金属（如铜、镍或钴）掺杂生物炭，以提高BEF-MFC的性能。加入第二种金属可以与铁产生协同效应，增强H?O?的生成和•OH的生成，并改善Fe3?和Fe2?之间的氧化还原循环[23,24]。第二种金属的存在增强了Fe2?/Fe3?的氧化还原循环，促进了更有效的活性氧物种（如•OH）的生成。这种协同作用提高了系统的降解效率[25]。双金属掺杂显著提高了生物炭的催化活性，通常优于单一金属掺杂的生物炭。两种金属的协同作用导致了更多的活性位点、更好的电子传输和更高的反应性[26]。此外，双金属掺杂还提高了生物炭的结构稳定性，并改善了表面性质和电子导电性[26,27]。因此，基于铁的双金属掺杂生物炭成为一种坚固且多功能的先进氧化工艺催化剂。例如，赵等人（2019年）发现，与纯金属原子相比，用Ni、Co和Fe原子合成的羟基化双金属催化剂在氧化还原反应（ORR）中的催化活性显著更高[28]。在另一项研究中，由Cu和Fe/NC制成的双金属催化剂（含有原子级分布的Cu?N?和FeN?位点，锚定在多孔石墨碳纳米球上）的ORR活性明显优于单一M/NC催化剂[29]。
此外，阿拉伯胶是一种天然且易于获取的多糖，由于其形成高表面积多孔碳结构的优良特性，是生物炭的有效前体[30]。作为一种含有羟基和羧基的天然多糖[31]，它与金属离子有强烈的相互作用，有利于合成过程中的均匀金属负载和分散。热解后，它分解形成富含碳的多孔基质[30]，稳定了掺杂的金属物种并增强了它们的催化活性。此外，其高碳含量、功能基团的存在[32]、低灰分和热稳定性[33]有助于生产具有理想纹理特性的高质量金属掺杂生物炭。尽管双金属掺杂生物炭作为BEF系统中的阴极催化剂具有巨大潜力，但仍存在一些研究空白，如不同金属对之间的协同机制、最佳金属比例、催化剂负载量、稳定性、大规模生产等，这些因素阻碍了其全面应用。
因此，在本研究中，据我们所知，首次从阿拉伯胶合成了芬顿催化剂（双金属掺杂的阿拉伯胶生物炭），用于在BEF-MFC中启动阴极芬顿氧化，以降解亚甲蓝（MB）和四环素（TC）等代表性污染物。这项工作在中性pH下进行，以模拟实际废水环境，并消除了调整化学pH值的需要。研究内容包括：对合成的催化剂进行了全面表征，确认了它们的结构、形态和电化学性质；通过改变外部电阻、底物浓度、阴极表面积、pH值以及MB和TC的浓度等关键操作参数，系统评估了它们的性能；使用循环伏安法（CV）和重复的阴极降解实验评估了催化剂的稳定性和可重复使用性；阐明了MB和TC的降解机制和矿化途径；还进行了植物毒性测试，确认处理后毒性显著降低。最后进行了成本分析，以评估该系统的整体运营成本，为实际环境应用提供了宝贵的见解。
