第一作者：曾予希

通讯作者：曾光明教授、周成赟副教授

论文doi： https://doi.org/10.1016/j.seppur.2026.136988

成果简介

本文通过球磨辅助以螺旋藻为原料，使用碱金属盐作为结构和催化调节剂合成了高比表面积氮掺杂多孔生物炭。通过系统比较K₂CO₃、Na₂CO₃和NaCl的改性效果，我们展示了不同碱金属阳离子如何关键性地控制碳结构、活性位点形成，以及最终过硫酸盐（PDS）活化机制对抗生素降解的影响。通过全面评估降解性能、反应路径识别和生态毒性评估，我们证明了K₂CO₃改性能够构建高效且环境友好的降解系统。

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抗生素污染是一个重大的全球性环境挑战。本文确立了一种结合球磨、内源氮掺杂和碱金属调节的协同策略，利用螺旋藻衍生生物炭的内源性氮来构建以吡咯氮为主的活性位点，用于过硫酸盐（PDS）的活化。一个关键发现是碱金属的种类决定了活性氧的生成途径。K₂CO₃改性得到的生物炭（BNC-1）主要通过非自由基途径活化PDS，而Na₂CO₃改性（BNC-2）则主要促进自由基机制。优化后的BNC-1表现出卓越的催化活性，在10分钟内对SMX的去除率达到98.9%，观察到的反应速率常数为0.918 min⁻¹，比BNC-2高2.74倍。BNC-1/PDS系统表现出显著的稳定性，在复杂水基质中保持超过95%的效率，并在20小时连续运行中保持超过90%的稳定性。这项工作不仅揭示了PDS活化的可调机制，还建立了一种资源高效、低毒且高度矿化的修复系统，为可持续的水净化提供了深刻的见解。

图文导读

一、催化剂的表征

K₂CO₃改性的BNC-1综合性能最佳，显著提升孔隙率与石墨化程度，适用于吸附与催化应用。

二、性能测试

BNC-1在降解效率和环境适应性上综合表现最优，并且具有良好的稳定性。

三、活性物种分析和机理探究

在BNC-1/PDS和BNC-2/PDS体系中SMX的降解是以•OH、SO₄^•−和O₂^•−的自由基氧化途径以及以¹O₂和电子转移的非自由基氧化途径的协同作用的结果。其中，BNC-1/PDS体系中非自由基途径占比较大，而BNC-2/PDS体系中自由基途径占比较大。

四、SMX降解途径及毒性分析

BNC-1/PDS体系通过高效降解SMX并降低中间产物毒性，显著减少了二次污染风险。

小结

在这项工作中，通过碱金属盐复合球磨法，无需外加氮源，成功地从螺旋藻制备出了高催化活性的氮掺杂生物炭，其中碱金属盐的改性效果依次为：K₂CO₃＞Na₂CO₃＞NaCl。表征结果表明，K₂CO₃球磨生物炭（BNC-1）具有更高的比表面积、更发达的孔隙结构、更大的结构无序度和更高的缺陷密度。降解实验表明，BNC-1表现出卓越的性能，在10分钟内对SMX的去除率高达98.9%，显著优于BNC-2 和BNC-3。与IP的线性关系表明，BNC-1/PDS 系统对低IP污染物具有特别的效能，同时该系统还表现出强大的抗干扰能力和连续流操作中的良好性能。稳态浓度计算表明，在 BNC-1/PDS 中，¹O₂是主要的活性物质，而BNC-2/PDS 中则以·OH为主。理论模拟和小白菜种子实验共同证实了BNC-1/PDS系统中降解中间体的低毒或无毒性质。这项工作展示了一种无金属、无毒且高度稳定的生物炭催化剂，它在成本、制备简易性和效率之间实现了平衡，为水处理中抗生素去除和毒性降低提供了一种绿色可持