南京工业大学徐炎华团队研究成果：载体对气凝胶限域四氧化三钴活化过一硫酸盐降解氧氟沙星的研究
引言
氧氟沙星（OFL）作为一种广谱氟喹诺酮类抗生素，其环境残留问题日益严重，主要来源于医疗和农业排放，对水体和土壤生态系统构成潜在威胁。传统的OFL去除方法，如生物降解、物理吸附和化学氧化技术，存在效率低、吸附容量有限、易产生有毒副产物等问题。因此，开发高效、环保的OFL去除技术显得尤为重要。文章基于南京工业大学徐炎华教授团队研究成果及国家重点研发计划项目和山西省科技重大专项资助。
01、研究背景
基于过一硫酸盐（PMS）活化的高级氧化技术（SR-AOPs）因其能生成强氧化性的自由基（如硫酸根自由基、羟基自由基等），在处理难降解有机物方面展现出显著优势。然而，PMS活化催化剂仍面临活性位点利用率低、微观传质阻力大、催化剂易团聚失活及合成工艺复杂等挑战。溶胶-凝胶法制备的气凝胶催化剂因其高比表面积和丰富的孔隙结构，有利于污染物吸附和活性物种的生成，从而提高活化效率，成为研究热点。
02、创新亮点
（1）气凝胶催化剂的创新设计
本研究采用溶胶-凝胶法制备了4种复合气凝胶催化剂（Co₃O₄、Co₃O₄@SiO₂、Co₃O₄@ZrO₂、Co₃O₄@Al₂O₃、Co₃O₄@TiO₂），通过系统表征与性能筛选，首次发现Co₃O₄@SiO₂在活化PMS降解OFL方面表现最优。这一发现为抗生素废水处理提供了新的高效催化剂。
（2）高比表面积与优异催化性能
Co₃O₄@SiO₂气凝胶催化剂展现出纳米多孔结构，Co₃O₄均匀分散在SiO₂基质中，比表面积高达444.4373 m²/g，为反应提供了更多的活性位点，显著提高了PMS的吸附和活化效率。这种结构优势使得Co₃O₄@SiO₂在10 min内对10 mg/L OFL的降解效率达到99.14%，且在pH为3～11范围内均能高效降解OFL。
（3）主要活性物种的确定
通过顺磁电振波谱（EPR）和淬灭实验，本研究确定了SO₄-•和1O2是Co₃O₄@SiO₂/PMS体系中的主要活性物种。这一发现为理解反应机制提供了重要依据，有助于进一步优化催化剂设计和反应条件。
（4）催化剂的稳定性和可循环性
TOC测定和循环实验表明，Co₃O₄@SiO₂气凝胶催化剂不仅具有优异的催化性能，还展现出良好的稳定性和可循环性。在5次循环后仍保持83%的降解效率，为实际应用提供了可靠保障。
03、图文展示
图1 (a) Co₃O₄和4种复合气凝胶催化剂的催化性能(b)以及各自反应速率常数k值
Fig.1 (a) Catalytic performance of Co₃O₄ and four composite aerogel catalysts (b) and their respective reaction rate constants k values
图2 (a) Co₃O₄@SiO₂、(b)Co₃O₄@ZrO₂、(c)Co₃O₄@Al₂O₃、(d)Co₃O₄@TiO₂的SEM图像
Fig.2 (a) Co₃O₄@SiO₂、(b)Co₃O₄@ZrO₂、(c)Co₃O₄@Al₂O₃、(d)Co₃O₄@TiO₂ SEM images
图3 (a)Co₃O₄@SiO₂；(b)Co₃O₄@ZrO₂；(c)Co₃O₄@Al₂O₃；(d)Co₃O₄@TiO₂样品的吸附-脱附等温曲线和孔径分布图
Fig.3 (a)Co₃O₄@SiO₂;(b)Co₃O₄@ZrO₂;(c)Co₃O₄@Al₂O₃;(d)Co₃O₄@TiO₂ adsorption-desorption isotherm curves and pore size distribution diagrams
图4 Co₃O₄、Co₃O₄@SiO₂、Co₃O₄@ZrO₂、Co₃O₄@Al₂O₃、Co₃O₄@TiO₂的XRD图谱
Fig.4 XRD patterns of Co₃O₄、Co₃O₄@SiO₂、Co₃O₄@ZrO₂、Co₃O₄@Al₂O₃、Co₃O₄@TiO₂
图5 Co₃O₄、Co₃O₄@SiO₂、Co₃O₄@ZrO₂、Co₃O₄@Al₂O₃、Co₃O₄@TiO₂样品FT-IR图谱
Fig.5 FT-IR spectra of Co₃O₄、Co₃O₄@SiO₂、Co₃O₄@ZrO₂、Co₃O₄@Al₂O₃、Co₃O₄@TiO₂
04、结 论
本文成功采用溶胶-凝胶法制备了4种复合气凝胶催化剂，并通过系统表征与性能筛选，发现Co₃O₄@SiO₂在活化PMS降解OFL方面表现最优。该催化剂具有高比表面积和优异的催化性能，能在宽pH范围内高效降解OFL，且主要活性物种为SO₄-•和1O2。
此外，Co₃O₄@SiO₂还展现出良好的稳定性和可循环性，在5次循环后仍保持较高的降解效率。本研究为抗生素废水处理提供了新的高效催化剂和处理方案，具有重要的环境意义和应用前景。
引用本文
文章发表于《功能材料》2026年第57卷第3期，欢迎引用本文：
刘佳豪,李佩润,黄金灿,等.载体对气凝胶限域四氧化三钴活化过一硫酸盐降解氧氟沙星的研究[J].功能材料,2026,57(3):116-127.
LIU J H,LI P R,HUANG J C,et al.Study on the degradation of ofloxacin by activated persulfate confined in aerogel using a carrier[J].Journal of functional materials,2026,57(3):116-127
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