关于掺硼的Fe/Cu双金属阴极去除左氧氟沙星的研究

《Separation and Purification Technology》：Study on the removal of levofloxacin by a boron-doped Fe/cu bimetallic cathode

本研究通过一步水热法制备了硼掺杂双金属（Fe/Cu）石墨 felt阴极（2B-Fe/Cu@GF），并将其应用于高效异质电芬顿降解左氧氟沙星（LEV）。实验表明，该阴极在30分钟内实现LEV降解率高达96.1%，且具有优异的稳定性和循环性。通过LC-MS和DFT分析揭示了三条降解途径，并评估了中间产物的生态毒性。

　　

贾晓宁|秦梦雪|赵霞|秦兰兰|王家洛|傅永轩|张萌

兰州理工大学冶金与环境学院，中国兰州730050。

摘要

硼是一种介于金属和非金属之间的半金属元素。它具有较低的电负性，并且能够补偿电子缺陷，这有助于促进还原位点和活性位点的形成。硼的掺杂可以促进铁和铜金属之间的价态循环，增强这两种金属之间的协同效应，从而显著提高材料的催化活性，相比未掺杂的电极效果更好。因此，材料的催化活性得到了提升。目前，大多数研究集中在硼与非金属元素之间的相互作用上，而关于将掺硼的双金属材料负载在阴极表面上以实现高效催化降解污染物的研究相对较少。本研究通过一步水热法成功制备了掺硼的双金属改性石墨毡阴极（2B-Fe/Cu@GF），并将其应用于异相电Fenton（HEF）系统。该2B-Fe/Cu@GF阴极在左氧氟沙星（LEV）的降解过程中表现出优异的催化性能，在最佳条件下30分钟内实现了高达96.1%的LEV去除率。经过五次循环后，仍有超过87%的LEV可以被去除，显示出良好的稳定性和可重复使用性。利用液相色谱-质谱（LC-MS）技术和密度泛函理论（DFT）鉴定了LEV的十四种中间产物，揭示了三种潜在的降解途径。此外，还通过ECOSAR（生态结构-活性关系）程序评估了这些中间产物的毒性。

引言

高级氧化工艺（AOPs）通过激活氧化剂（如H₂O₂）将有机污染物矿化为CO₂和H₂O。由于其温和的反应条件、高效率和快速的降解速率，该技术在水处理领域取得了快速进展[1]。Fenton反应是一种AOPs，最初由H.J.H. Fenton于1894年提出[2]。该反应的原理是利用Fe²⁺通过一系列化学反应激活H₂O₂生成高氧化性的·OH，从而实现污染物的降解。Fenton反应过程如方程式（1）、（2）、（3）所示[3]，其中Fe²⁺/Fe³⁺之间的循环转化不断催化H₂O₂生成各种氧化自由基，进而降解污染物。但该过程仅适用于pH值为2–3的情况；当pH值过低时，H₂O₂容易发生质子化形成H₃O²⁺，无法被铁物种催化生成·OH；当pH值过高时，铁物种会沉淀形成“铁泥”，导致二次污染。此外，·O₂H会与污染物竞争·OH，从而显著降低Fenton系统中污染物的降解效率。传统的Fenton反应存在应用pH范围窄、铁离子用量大（容易导致二次污染）、H₂O₂利用率低以及催化剂难以回收和再利用等问题[4]。