水体中的新污染物（如抗生素，内分泌干扰物等）对人体健康和生态安全存在潜在威胁。为了保障水质安全，利用高级氧化技术（AOPs）产生的活性氧物种（ROS）来矿化污染物是一种理想的解决方案。然而，简单共存或组合ROS的方式对提高污染物矿化效率并不明显。同济大学化学科学与工程学院赵红颖教授课题组构建了一种基于污染物结构适配的串联反应体系（TRS），实现水污染的快速且深度矿化，相关研究成果近日以“Constructing Tandem Fenton-like Reaction Systems Based on Structure Adaption to Boost Water Contaminant Mineralization Efficiency”为题发表于化学领域国际顶级期刊《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）。

研究团队以碳纳米管（CNT）、商用二氧化钛（TiO₂）和碳气凝胶（CA）作为载体分别引入Fe物种，通过电化学平台（保持相同电流和氧化剂用量）活化过硫酸盐（PMS）选择性生成三种经典的ROS（¹O₂, HO^•和SO₄^•–），为后续的TRS构建提供保障。

DFT理论计算表明，ROS的选择性生成与阴极活性位点的电子结构有关，它决定了PMS（O_III-S=(O)₂-O_II-O_I-H）中O原子的吸附构型及电子转移方向。当O_III原子吸附并转移电子给Fe/CNT电极上的C位点，选择性生成¹O₂，此外，当O_I和O_II原子分别吸附在Fe/TiO₂和Fe/CA的Fe位点时，则促使O_II-O_I键断裂产生HO^•和SO₄^•–。

实验结果表明，¹O₂+SO₄^•–-TRS体系在30 min内可实现磺胺甲恶唑（SMX）的完全矿化，远高于单独的AOP体系。一系列结构相似的磺胺类抗生素在¹O₂+SO₄^•–-TRS体系的矿化率均能达到90%-100%，证明了基于结构适配构建的TRS具有广谱适用性。

结合理论与实验，探究SMX在¹O₂+SO₄^•–-TRS体系的矿化机制：¹O₂选择性地破坏SMX的磺胺桥（S-N键），生成了对氨基苯磺酸中间体。该中间体极易受到后续SO₄^•–的攻击，有利于SMX的矿化。TRS体系能够充分利用ROS的反应特性，有效避免难降解中间产物的积累，实现污染物的快速且深度矿化。

以SMX、磺胺嘧啶（SD）和头孢菌素（CEPs）为主要有机成分的实际抗生素制药废水为处理对象，进一步评估¹O₂+SO₄^•–-TRS体系的实际应用潜力。¹O₂+SO₄^•–-TRS体系在实际废水处理过程中表现出优异的矿化性能，高稳定性和可持续性，说明其作为一种新型的水处理模式具有较大的应用潜力。

赵红颖教授为论文的通讯作者，博士生陈敏为论文第一作者。研究工作得到了国家自然科学基金优秀青年基金项目和面上项目的资助。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ange.202416921