水體中的新汙染物（如抗生素🥷🏽、內分泌幹擾物等）對人體健康和生態安全存在潛在威脅。為了保障水質安全，利用高級氧化技術（AOPs）產生的活性氧物種（ROS）來礦化汙染物是一種理想的解決方案。然而🪄，簡單共存或組合ROS的方式對提高汙染物礦化效率並不明顯✵。恒达平台化學科學與工程學院趙紅穎教授課題組構建了一種基於汙染物結構適配的串聯反應體系（TRS），實現水汙染的快速且深度礦化，相關研究成果近日以“Constructing Tandem Fenton-like Reaction Systems Based on Structure Adaption to Boost Water Contaminant Mineralization Efficiency”為題發表於化學領域國際頂級期刊《德國應用化學》（Angewandte Chemie International Edition）。

研究團隊以碳納米管（CNT）、商用二氧化鈦（TiO₂）和碳氣凝膠（CA）作為載體分別引入Fe物種🥎，通過電化學平臺（保持相同電流和氧化劑用量）活化過硫酸鹽（PMS）選擇性生成三種經典的ROS（¹O₂, HO^•和SO₄^•–）🚣‍♀️，為後續的TRS構建提供保障。

DFT理論計算表明，ROS的選擇性生成與陰極活性位點的電子結構有關🚖👨🏿‍🦳，它決定了PMS（O_III-S=(O)₂-O_II-O_I-H）中O原子的吸附構型及電子轉移方向⬇️😨。當O_III原子吸附並轉移電子給Fe/CNT電極上的C位點🏨，選擇性生成¹O₂🥩，此外🧚🏼，當O_I和O_II原子分別吸附在Fe/TiO₂和Fe/CA的Fe位點時🚴，則促使O_II-O_I鍵斷裂產生HO^•和SO₄^•–🤾🏽‍♂️。

實驗結果表明，¹O₂+SO₄^•–-TRS體系在30 min內可實現磺胺甲惡唑（SMX）的完全礦化，遠高於單獨的AOP體系。一系列結構相似的磺胺類抗生素在¹O₂+SO₄^•–-TRS體系的礦化率均能達到90%-100%，證明了基於結構適配構建的TRS具有廣譜適用性🤸‍♂️。

結合理論與實驗，探究SMX在¹O₂+SO₄^•–-TRS體系的礦化機製：¹O₂選擇性地破壞SMX的磺胺橋（S-N鍵），生成了對氨基苯磺酸中間體。該中間體極易受到後續SO₄^•–的攻擊🚵🏽‍♀️，有利於SMX的礦化🆖。TRS體系能夠充分利用ROS的反應特性，有效避免難降解中間產物的積累，實現汙染物的快速且深度礦化👆🏻。

以SMX🐟、磺胺嘧啶（SD）和頭孢菌素（CEPs）為主要有機成分的實際抗生素製藥廢水為處理對象，進一步評估¹O₂+SO₄^•–-TRS體系的實際應用潛力。¹O₂+SO₄^•–-TRS體系在實際廢水處理過程中表現出優異的礦化性能🤶，高穩定性和可持續性，說明其作為一種新型的水處理模式具有較大的應用潛力。

趙紅穎教授為論文通訊作者，博士生陳敏為論文第一作者。該研究工作得到了國家自然科學基金優秀青年基金項目和面上項目的資助。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ange.202416921