PDA涂层Fe@MXene对过硫酸盐的异相激活作用，用于高效降解染色废水

染料高效降解与资源回收：聚多巴胺包覆Fe@MXene催化剂通过增强Fe3?还原活性、抑制铁溶出（≤0.95 mg/L）和促进多路径协同氧化（·OH、SO??·），实现RB5染料30分钟内99.05%降解及98.1% TOC矿化。经8次循环后仍保持78.86%降解效率，处理废水染色利用率达66.12%，为纺织废水可持续处理提供新方案。

　　

李万新|舒大武|安芳芳|乔欣|董月勇|徐成书

河北科技大学纺织与服装学院，中国河北省石家庄市，050018

摘要

基于过渡金属活化的过硫酸盐的高级氧化工艺（AOPs）能够有效降解染料，但通常受到二次污染和废水再利用性差的限制。本文开发了一种多巴胺涂层的Fe@MXene（PDA@Fe@MXene）复合材料，以克服这些挑战，实现高效的降解和资源回收。PDA涂层将比表面积从30.4 m²/g提高到了100.2 m²/g，并确保了元素分布的均匀性。在最佳条件下（催化剂浓度200 mg/L，SPS浓度3 g/L，RB5浓度0.05 g/L），30分钟内实现了99.05%的降解率，同时TOC去除效率达到98.1%，表明发生了有效的矿化作用。淬火实验和EPR分析显示，降解过程中同时存在自由基（?OH和SO₄?^–）和非自由基途径，其中单线态氧（¹O₂）对降解过程的抑制作用更为显著，而?OH和SO₄?^–则起到了协同作用。该催化剂在经过五个循环后仍保持90.90%的去除效率，在连续八个循环后仍保留了78.86%的降解效率，且铁离子的浸出量较低且稳定（≤0.95 mg/L）。此外，处理后的废水具有优异的再利用性，可用于染色，染料吸收率达到66.12%，颜色均匀性也很好。本研究为染料废水的可持续处理和再利用提供了实用策略，突显了PDA@Fe@MXene作为一种稳定且环保的催化剂在清洁纺织生产中的潜力。

引言

全球水资源危机日益严重。纺织和染色工业作为第二大工业水源污染源，贡献了约17-20%的全球工业废水排放量（Uddin, 2021）。在许多国家，纺织品出口是重要的经济支柱，但这也导致了大量的染色废水产生（Liu et al., 2025a）。这类废水通常含有高浓度的无机盐和致癌芳香胺类物质，如苯胺和联苯胺（Gabris et al., 2025; Yang et al., 2024）。这些污染物会造成不可逆的生态破坏，包括水体富营养化和生物多样性丧失，并通过食物链中的生物累积最终威胁人类健康（Ma et al., 2025; Xu et al., 2024）。

来自纺织印染行业的活性染料废水因其高盐度、难降解性和复杂成分，在废水处理中一直是一个持续的挑战（Liu et al., 2023）。近年来，基于过渡金属活化的过硫酸盐的高级氧化工艺（AOPs）因其强大的氧化能力和广泛的pH适用范围而受到广泛关注。然而，两个主要问题限制了它们的实际应用：首先，Fe³⁺/Fe²⁺的氧化还原循环效率通常较低（Tang et al., 2023; Zhang et al., 2024b）。尽管紫外线照射可以增强Fe³⁺的还原，但实际废水中的悬浮固体会显著减弱光穿透（Wu et al., 2025; Zhao and Feng, 2025）。其次，含铁污泥会导致二次污染。在接近中性的条件下，Fe³⁺容易水解生成Fe(OH)₃沉淀物，这降低了可用的Fe离子浓度，减缓了降解速率，并最终导致催化剂失活和固体废物处理问题（Wei et al., 2025）。为了解决这些问题，人们采用了石墨烯和生物炭等碳基载体来固定铁物种。然而，它们的功能基团密度有限，难以在高盐度环境中保持长期的催化性能（Qu et al., 2024; Wang et al., 2023c; Yu et al., 2025）。

近年来，MXene因其二维层状结构、高电子导电性和丰富的表面功能基团而被广泛用于构建异相过硫酸盐活化系统。研究表明，引入铁物种显著提高了MXene去除难降解污染物的效率，主要是通过促进Fe³⁺/Fe²⁺循环和加速界面电子转移（Hu et al., 2023）。然而，传统的负载方法（如Fe₃O₄复合材料）在重复循环过程中会出现铁离子浸出和活性下降的问题，尤其是在复杂的水质条件下稳定性更差（Xu et al., 2022）。为了增强Fe-MXene之间的相互作用，采用了原位生长策略将铁物种固定在MXene表面，从而改善了其分散性和稳定性。不过，活性位点仍容易被反应中间体覆盖（Wang et al., 2025b）。采用碳材料或聚合物涂层来抑制铁离子浸出的替代方法往往难以在保持高活性的同时实现良好的稳定性，因为涂层层会限制功能基团或电子导电性。多巴胺（PDA）由于其丰富的氨基和羟基，可以通过自聚形成均匀的粘附层，从而与铁离子形成多点复合，减少铁离子的浸出。此外，PDA具有内在的还原性，与MXene协同作用促进Fe³⁺的还原。同时，PDA可以作为电子介质，促进界面电荷转移，赋予复合材料优异的亲水性和抗污染性能（Lin et al., 2021）。总之，目前的Fe@MXene系统在维持高活性、实现铁物种的长期稳定固定、抑制表面钝化以及提高环境适应性方面仍面临挑战。因此，开发结合强金属锚定和高效界面调节的功能化MXene基催化剂具有重要意义。

与传统基于Fe的MXene催化剂相比，本研究引入了一种PDA介导的界面调节策略，能够在保持高效过硫酸盐活化的同时实现铁的稳定固定。在活化过程中，PDA和MXene协同促进Fe³⁺向Fe²⁺的还原，从而提高催化效率。此外，还证明了处理后的废水可再次用于染色，将高级氧化技术的应用范围从污染物去除扩展到了废水再利用。

基于以上考虑，本研究旨在阐明PDA@Fe@MXene对过硫酸钠（SPS）的活化机制及其在染料降解中的应用。选择C.I. Reactive Black 5（RB5）作为模型污染物，以其降解率作为性能指标。系统评估了多巴胺涂层浓度、涂层时间、SPS浓度和溶液pH值对催化性能的影响。此外，还全面研究了主要反应物种、降解途径和催化剂的再利用性。本研究为PDA@Fe@MXene在高效染料废水处理和资源回收中的应用提供了新的见解和理论支持。

材料

漂白棉织物（160 g/m²）由河北宁芳集团有限公司提供。Ti₃AlC₂ MAX粉末（400目）购自佛山新西科技有限公司。盐酸多巴胺（98%）购自上海麦克林生化有限公司。氯化钠（NaCl，≥95.5%）、碳酸钠（Na₂CO₃，≥99.8%）、氯化铁（FeCl₃，99.0%）和过硫酸钠（SPS，分析级）购自天津欧博凯化工有限公司。无水甲醇也用于实验。

形态和结构表征

Fe@MXene通过水热合成制备，并进一步涂覆PDA得到PDA@Fe@MXene。使用SEM观察形态变化，EDS分析元素分布，BET分析表面面积和孔隙率。相应的表征结果见图3。

如图3(a–d)所示，Fe@MXene具有有序的层状结构，铁物种沉积在层间。涂覆PDA后，层状结构变得不明显，出现了许多球形

结论

本研究通过多巴胺单体在Tris-HCl缓冲溶液中的自聚成功合成了PDA@Fe@MXene复合材料，在Fe@MXene表面形成了均匀的PDA涂层。使用200 mg/L的PDA@Fe@MXene和3 g/L的SPS，在30分钟内实现了99.05%的RB5降解率，同时TOC去除效率达到98.1%，表明发生了有效的矿化作用。该催化剂对RR24、RR195和RY95也表现出良好的适应性。

CRediT作者贡献声明

李万新：撰写——原始稿件。舒大武：方法学、资金获取、概念构思。安芳芳：软件。乔欣：软件。董月勇：监督。徐成书：概念构思。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：安芳芳报告获得了河北省教育部的财政支持。舒大武获得了新疆维吾尔自治区冠军项目的财政支持。舒大武还获得了成都纺织学院的资助。如果还有其他作者，他们声明没有已知的财务利益冲突。

致谢

本研究得到了河北省特色产业集群创新科技支持专项（项目编号：25344002D）、四川省纺织生态染整重点实验室（成都纺织学院）开放项目（项目编号：2024DF-AO2）、新疆维吾尔自治区“活性染料无盐纤维素纤维染色技术”冠军项目以及河北省青年基金的支持。