2021年 11月28日我院硕士生张欣悦的研究论文“In-situ dispersing ultrafine Fe₂O₃ nanoparticles in mesoporous silicas for efficient peroxymonosulfate-activated degradation of tetracycline over a broad pH range” 发表在环境工程类SCI期刊《Journal of Environmental Chemical Engineering》（中科院2区，IF₂₀₂₀=5.909）。重庆三峡学院2019级硕士研究生张欣悦为论文第一作者，重庆三峡学院汤建庭副教授为论文通讯作者。本研究受到国家自然科学基金项目(21976066)、重庆市自然科学基金项目( cstc2021jcyj-msxmX0600)的资助。

论文连接：https://doi.org/10.1016/j.jece.2021.106904

四环素（TC）是一种广泛应用于人类生活、水产养殖和畜牧业的临床和非临床应用的抗生素。然而，由于其具有高吸附能力，污水处理厂无法通过简单的一级和二级处理完全降解污水中的四环素，导致约有一半的四环素被排放到自然环境中，对人类健康和生态环境构成巨大威胁。因此，开发有效的技术来降解四环素至关重要。本研究通过使用铁酞菁作为Fe源，运用水热原位掺入法在介孔二氧化硅的框架中成功生成了高度分散的超精细Fe₂O₃纳米颗粒催化剂，并将其用于活化过硫酸盐（PMS）产生活性自由基从而降解四环素。发现其在广泛的溶液pH值范围内对四环素均有良好降解。

图1 超精细Fe₂O₃纳米颗粒的制备过程及其X射线衍射图

通过对催化剂进行X射线衍射（XRD）表征发现，2θ=15-30&deg;的宽衍射峰可归因于无定形二氧化硅。在Fe/Si-1和Fe/Si-2的图案中，2θ为24.2&deg;、33.2&deg;、35.7&deg;、40.9&deg;、49.5&deg;和54.2&deg;的尖峰对应于α-Fe₂O₃的（012）、（104 )、(110)、(113)、(024) 和(116)晶面。Fe/Si-1和Fe/Si-2的α-Fe₂O₃的晶体尺寸 (D104) 分别由Scherrer方程推导出为47和44 nm。与已研究出的平均尺寸为3-8 nm的超细α-Fe₂O₃纳米粒子的XRD图谱一致。而Fe/Si-3和Fe/Si-4的图案中仅在 33.2&deg;和35.7&deg;处出现非常微弱的衍射峰，表明平均尺寸<8 nm的超精细α-Fe₂O₃纳米颗粒均匀分散在其中。

图2 超精细Fe₂O₃纳米颗粒激活过硫酸盐降解四环素效果图

研究表明，超精细Fe₂O₃纳米颗粒催化剂可在加入过硫酸盐后35min内高效降解四环素，降解效果优于仅加入催化剂或仅加入过硫酸盐的情况。在溶液pH=3-11的广泛范围内，催化剂均可有效激活过硫酸盐降解四环素。且催化剂可循环使用三次活性不下降，具有良好的稳定性能。

图3 四环素降解产生的中间产物及转化途径

研究表明，催化剂激活过硫酸盐产生自由基，自由基会优先攻击四环素中具有较高电子密度的C-C和C=N键。 TC分子中的二甲氨基解离产生TC1。同时，TC分子中的二甲氨基脱甲基、去除酰氨基产生另一种中间体TC2。TC2经过六元环的打开转变为TC3和TC4。TC3和TC4分解为TC5、TC6，并进一步分解为较低分子量的中间体或产物。

本研究成功制备了高度分散的超精细Fe₂O₃纳米颗粒催化剂。材料可激活过硫酸盐降解抗生素类污染物四环素，降解效果优于其他Fe催化剂以及Fe₂O₃本体，具有良好的降解效果和稳定性。为负载纳米Fe₂O₃催化剂的制备前景提供了新的见解，而且为降解污水中顽固污染物提供了合理的指导。