科学网-[转载]「好文分享」巴塞罗那大学Carmen Sans教授课题组：草酸活化木质素衍生碳增强过氧单硫酸盐降解磺胺甲恶唑-赵慧敏的博文

[转载]「好文分享」巴塞罗那大学Carmen Sans教授课题组：草酸活化木质素衍生碳增强过氧单硫酸盐降解磺胺甲恶唑

2025-10-16 15:04

阅读：317

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.gce.2025.09.001

【文章导读】

随着工农业与医疗体系发展，药品及个人护理品大量进入水环境，尤其是抗生素如磺胺甲噁唑（SMX），其残留问题日益凸显，威胁生态与公共健康。高级氧化工艺（AOPs）可有效降解这类污染物，其中过氧单硫酸盐（PMS）需活化产生高活性氧物种（ROS）以实现高效氧化。传统过渡金属催化剂虽具高活性，但存在金属溶出风险，易引发二次污染。生物质衍生碳材料作为金属自由催化剂展现出良好前景。木质素作为造纸工业副产物，来源丰富、成本低，其芳香性结构适于制备高性能碳材料，实现“以废治废”。然而，未改性碳材料催化活性有限，而传统强碱活化剂（如KOH）具有强腐蚀性且不环保。因此，开发温和、绿色、高效的活化策略，构建具有丰富活性位点的木质素碳催化剂，成为推动该技术实用化的关键挑战。

基于以上背景，巴塞罗那大学Carmen Sans教授课题组创新性地提出：利用一种温和的有机酸—草酸作为活化剂，通过一步热解法将废弃木质素转化为高性能的无金属多孔碳催化剂（OAL）。旨在探究其在活化PMS降解SMX中的性能与机理，以期为实现“以废治废”的水污染控制提供一种兼具高效性、安全性和可持续性的新技术路径。文章发表在Green Chemical Engineering（GreenChE），题为“Enhanced peroxymonosulfate activation by oxalic acid-activated lignin-derived carbon to degrade sulfamethoxazole: performance and mechanism ” 。

【研究亮点】

■ 以木质素为原料，通过草酸活化一步热解合成了一种无金属多孔碳催化剂。

■ 草酸活化木质素衍生碳材料的SMX去除率为98.4%，在pH值为1-9的范围内表现出较高的稳定性，TOC去除率为79.8%。

■ 单线态氧（¹O₂）和超氧自由基（O₂^•^–）是OAL₁-650/PMS/SMX系统中的主要活性氧。

■ OAL₁-650中的C=O官能团是负责激活 PMS 以有效去除SMX的关键活性位点。

【内容概述】

本研究以草酸为温和活化剂，通过高温热解碱木质素制备了一系列多孔碳催化剂（OAL_x-T）。其中，OAL₁-650在激活过氧单硫酸盐（PMS）降解SMX方面表现最佳，10分钟内去除率超过90%，矿化率高达79.8%，表明污染物被有效地矿化为CO₂和H₂O，大大降低了毒性和环境风险。研究还表明，草酸活化显著提升了材料的比表面积和孔结构，并引入了丰富的C=O官能团。对比新鲜和使用后的催化剂，发现OAL₁-650中C=O官能团的含量（45.43%）远高于AL-650（33.84%）。使用后，C=O含量显著下降，同时C-O含量上升，表明C=O在反应中被消耗（转化为C-O），直接参与了PMS的活化，证实C=O是激活PMS生成活性氧物种（ROS）的关键活性位点。

图1. OAL₁-650 合成的示意图。

通过自由基淬灭实验，使用NaN₃（猝灭¹O₂）和FFA（¹O₂探针）时，SMX降解被强烈抑制（效率降至49.3%和76.5%），表明单线态氧（¹O₂）是最主要的活性物种。使用p-BQ（猝灭O₂^•^–）时，降解也受到明显抑制，表明超氧自由基（O₂^•^–）是重要的贡献者，它可能作为生成¹O₂的中间体。使用TBA和MeOH（猝灭•OH和SO₄^•^–）时，抑制效果微弱，证明传统的自由基途径（•OH和SO₄^•^–）并非主导。研究明确了单线态氧（¹O₂）和超氧自由基（O₂^•–）是主导SMX降解的主要活性物种。OAL₁-650/PMS体系在pH = 1-9的范围内均能保持90%以上的SMX去除率，这在实际废水处理中极具价值。

图2. （a）单独 PMS、单独 OAL₁-650和OAL₁-650/PMS系统以及（b）AL-650/PMS和OAL_x-650/PMS（x = 0.5、1或2）对SMX去除的影响。

图3.（a）不同猝灭剂对OAL₁-650/PMS体系去除SMX的影响，以及（b）相应的降解速率和k_obs。

【总结与展望】

该研究不仅成功将工业副产物木质素转化为高附加值碳材料，还为实现抗生素废水的高效、绿色处理提供了可行路径。未来课题组将继续利用生物质碳材料验证其在复杂废水体系中稳定性与适应性，推动其在工业废水处理中的实际应用，助力“碳中和”与“循环经济”目标的实现。

【通讯作者简介】

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Carmen Sans教授，巴塞罗那大学化学系教授，课题组长期从事用于市政和工业废水处理的高级氧化工艺及废水再利用流程集成。课题组在去除新兴污染物（如药物、农药、阻燃剂等）以及微生物污染和去除有机物方面拥有丰富的经验。此外，课题组在光反应器设计和建模以及高级氧化工艺优化领域保持活跃，同时在国际知名期刊上发表了大量论文。

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黄文凯，巴塞罗那大学在读博士，主要从事生物质固废的清洁资源化和高值化及在污水治理等领域的基础研究工作。

撰稿：原文作者

编辑：GreenChE编辑部

【文章信息】

W. Huang, P. Llopart-Roca, J. Nieto-Sandoval, B. Bayarri, C. Sans, Enhanced peroxymonosulfate activation by oxalic acid-activated lignin-derived carbon to degrade sulfamethoxazole: performance and mechanism, Green Chem. Eng., https://doi.org/10.1016/j.gce.2025.09.001 (2025).

【期刊简介】

Green Chemical Engineering（GreenChE）于2019年入选“中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊”，2020年9月正式创刊，最新影响因子7.6，位列Q1区，最新CiteScore为15.5，目前已被ESCI、EI、DOAJ、Scopus和CSCD等多个权威数据库收录。GreenChE以绿色化工为学科基础，聚焦"绿色"，立足"工程" ，注重绿色化学、绿色化工及其交叉领域的前沿问题，紧紧围绕低碳化、清洁化和节能化的发展要求。目前是对读者和作者双向免费的开源期刊。

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