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2025-10-11
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【摘要】 本文基于Advanced Functional Materials（IF=19.0）研究，解析仿蛋白分级亲水性Co(OH)2催化剂如何通过空间分层设计优化PMS活化传质过程，实现15秒内80%抗生素降解。科学指南针计算服务平台提供DFT计算、有限元模拟等专业技术支持，助力材料模拟与催化机理研究。
研究背景与挑战
水体中抗生素等新污染物的存在对水生态系统安全和公共卫生构成严重威胁。非均相高级氧化技术虽具有巨大潜力，但面临两大关键挑战：
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固体催化剂界面传质缓慢：传统催化剂难以同时实现亲水性氧化剂和疏水性污染物的高效传质
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催化剂稳定性不足：Co(OH)2纳米片易团聚，表面活性位点有限，降低污染物去除效率
现有解决方案通常采用载体增强催化剂分散，但无法解决不相容反应物的协同传质问题。
仿蛋白结构设计理念
受催化蛋白酶结构特征启发，本研究提出空间分级亲水性催化剂设计理念：
仿蛋白结构核心特征：
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从外表面到内部金属中心疏水性递增
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疏水中心保障结构稳定性
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外部亲水层确保水环境生物相容性
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疏水通道选择性富集低浓度疏水反应物
设计优势：
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打破PMS和污染物协同传质限制
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提高整体反应活性
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优化催化位点电子配位环境
催化剂结构与性能表征
三维花状结构特征
AC-LDH@5Co(OH)2催化剂展现独特的3D花状结构和超亲水性：
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结构组成：单片LDH纳米片的HAADF-STEM图像证实Co沿边缘选择性分布
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孔结构特性：氮气吸附-解吸曲线符合IV型等温线，表明存在介孔结构
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传质优势：AC-LDH@Co(OH)2占AC总孔容的85%，含大部分疏水性微孔
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图2.（a）AC-LDH@Co(OH)2催化剂制备步骤；AC-LDH@5Co(OH)2催化剂的（b）SEM图、（c）SAED图、（d）HRTEM图、（e）元素分布图、（f）氮气吸附-解吸等温线以及（g）孔径分布图
超快降解性能表现
AC-LDH@5Co(OH)2展现出卓越的抗生素降解效率：
降解性能指标：
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15秒内实现80%诺氟沙星（NOR）去除率
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120秒内去除效率达95.47%
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PMS投加量仅需0.075 mM
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TOF值超越单原子催化剂性能
比较优势：在PMS投加量和TOF方面均超过最新报道的抗生素去除效率【科学指南针·性能验证】。
多物理场模拟验证传质机制
通过COMSOL多物理场模拟验证空间分级亲疏水性设计的传质优势：
模拟结果分析：
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PMS在超亲水LDH表面富集浓度显著高于AC
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抗生素在AC上分布浓度较高，LDH上富集量急剧下降
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空间分层设计增强PMS和抗生素协同传质过程
图3.（a）AC-LDH@5Co(OH)2 + PMS体系中NOR的降解效率；（b）体系PMS投加量和TOF值与已报道工作比较图；（c）PMS投加时间对NOR降解效率的影响；（d）降解过程中PMS和NOR在AC-LDH@5Co(OH)2表面分布的COMSOL模拟结果；（e）不同抗生素去除应用潜力；（f）常见阴离子和（g）不同水环境对NOR去除效率的影响。（实验条件：[催化剂]0 = 0.05 g‧L-1，[污染物]0 = 10 mg‧L-1，[PMS]0 = 0.075 mM，pH0 = 7，T = 25℃）
电子结构理论与反应机理
密度泛函理论计算分析
基于结构特征构建活性位点模型，揭示电子配位环境优化机制：
d带中心能量变化：
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AC-LDH@Co(OH)2中Co的d带中心能量：-3.99 eV
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未负载Co(OH)2中的能量：-3.68 eV
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表明Co 3d轨道电子配位环境得到优化
反应能垒分析：
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AC-LDH@Co(OH)2具有更低反应能垒
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有利于PMS活化反应过程进行
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吉布斯自由能计算证实能垒降低
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图5. （a）AC-LDH@5Co(OH)2和Co(OH)2的部分态密度（PDOS）图；（b）AC-LDH@5Co(OH)2和Co(OH)2吸附PMS的电荷密度分布图；（c）AC-LDH@5Co(OH)2催化活化PMS反应过程；（d）AC-LDH@5Co(OH)2催化活化PMS的吉布斯自由能阶图。
实际应用性能评估
膜催化反应器测试
将AC-LDH@5Co(OH)2组装于膜催化反应器进行实际水环境测试：
稳定性表现：
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十次循环实验后Co溶出浓度仅2.13 µg·L⁻¹
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表现出优异的结构稳定性
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保证长期实际应用性能和安全性
固定床连续流实验
连续66小时运行验证实际应用潜力：
性能指标：
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NOR去除性能稳定
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Co溶出浓度低于WHO饮用水限值（<50 µg·L⁻¹）
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出水pH值稳定，与环境兼容
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图6.（a）膜催化反应器示意图；相应的（b）有催化剂和（c）无催化剂装载的去除效率图；（d）连续流固定床反应器示意图；（e）固定床实验抗生素去除效率和pH值变化；（f）固定床反应器最终出水金属溶出；AC-LDH@5Co(OH)2催化剂制备（g）与废水处理（h）技术经济核算（实验条件：[NOR]0=2 mg‧L-1，[PMS]0=0.075 mM，T=25℃）
