(通讯员:张梦盼 审核:庞义军,郭霜,陈清杰)近期,药学院硕士研究生张梦盼以第一作者身份在国际期刊Chemical Engineering Journal(中国科学院一区Top期刊,IF:12.5)上发表了题为“Bimetallic MOF-derived cobalt-manganese spinel catalysts enable efficient PMS activation for tetracycline removal: The predominant role of high-valent cobalt species regulated by oxygen vacancies and Co-O-Mn asymmetric configuration”(双金属MOF衍生的钴锰尖晶石催化剂高效活化过一硫酸盐去除四环素:氧空位与Co-O-Mn非对称构型调控的高价钴物种的主导作用)的研究成果,庞义军副教授为通讯作者,湖北科技学院为第一完成单位。该研究在湖北省自然科学基金、湖北省教育厅科学研究计划项目和湖北科技学院博士启动基金的资助下完成。

抗生素在医疗临床和农牧养殖中的持续、大规模使用,使其在水环境中普遍残留,对生态环境和人类健康构成严重威胁。其中,四环素类抗生素是全球使用量第二大的抗生素,其造成的水体污染问题尤为突出。基于过一硫酸盐(PMS)活化的高级氧化技术是降解水中抗生素的有效手段,但传统的自由基氧化路径易受复杂水基质干扰、氧化选择性差。因此,如何构建以高价态金属氧物种(HVMO)为主导的非自由基氧化路径,是该领域面临的关键科学问题。
针对上述问题,该研究以双金属有机框架(MOF)为前驱体,经原位焙烧制备了一系列Co/Mn摩尔比精准可调的钴锰尖晶石(CoxMn3-xO4)催化剂,系统阐明了Co/Mn摩尔比对晶相组成、氧空位浓度、金属价态分布及Co-O-Mn配位构型的调控规律。研究发现,四方相Co1Mn2O4具有丰富的氧空位和最高的Mn(Ⅳ)含量,二者与独特的Co(Ⅱ)-O-Mn(Ⅳ)非对称配位构型协同作用,驱动界面电子重排,促进高反应活性高价钴氧物种(Co(Ⅳ)=O)的高效生成。在优化条件下(催化剂 0.2 g/L、PMS 0.2 g/L),Co1Mn2O4/PMS体系30分钟内对四环素的去除率达89.5%(k=0.1355 min⁻¹),其中Co(Ⅳ)=O贡献了约62%的降解份额。同时,该催化剂表现出优异的结构稳定性和循环使用性能,连续五次反应-再生循环后仍保持96.6%的初始活性;在自来水和湖水等实际水体中仍保持高效降解性能,对环丙沙星、磺胺甲噁唑、氧氟沙星等多种典型抗生素也展现出广谱去除潜力。
该研究深入阐明了钴锰尖晶石催化剂上PMS非自由基活化的作用机制,明确了氧空位与Co-O-Mn非对称构型在调控高价钴物种生成与利用中的主导作用,为设计高效、抗水基质干扰的PMS活化催化剂提供了可放大的材料设计范式,对含抗生素废水的高效处理具有重要的科学意义和潜在应用价值,也为相关领域的基础研究和工程应用提供了新的思路和方法。