近日，河南师范大学固废处置与资源化团队张彦灼老师在环境领域著名期刊《Chemical Engineering Journal》上发表了题为“Elucidating the multi-channel activation mechanism of an N/S-doped biochar/peracetic acid system for sulfonamide antibiotic degradation”的研究论文。该研究构建了N掺杂及NS共掺杂生物炭活化过氧乙酸（PAA）降解磺胺类抗生素体系。通过调控吡啶氮、噻吩硫及石墨缺陷等活性位点，实现了PAA的高效活化，30 min内对目标抗生素的平均去除率达97.45%。结合淬灭实验、EPR和电化学分析，揭示了以单线态氧（¹O₂）为主、羟基自由基和超氧自由基协同参与的自由基/非自由基双通道降解机制。此外，利用LC-MS和DFT计算阐明抗生素经S-N键断裂、芳环开环和羟基化等路径的转化过程；同时发现生物炭释放的溶解性有机质（DOM）与抗生素络合作用对降解效果影响有限。研究为生物炭基催化剂在抗生素废水处理中的应用提供了理论依据与实验支撑。
图文摘要
磺胺类抗生素在医药与养殖业的广泛使用导致其在水环境中的大量积累，且传统废水处理工艺难以将其完全去除，从而威胁生态安全与人体健康。过氧乙酸作为一种绿色氧化剂，具有较低的键能和高氧化还原电位，能高效产生活性氧物种以降解污染物。然而，热活化、紫外活化及金属活化等PAA活化方法存在能耗高、成本高或金属渗漏等缺点。相比之下，碳基催化剂具有成本低、化学稳定性好及结构可调等优势，是活化PAA的理想选择。为此，本工作采用球磨及N/NS掺杂改性制备纳米生物炭，并系统评估了其活化PAA降解磺胺类抗生素的性能。
图文导读
材料准备与表征
Fig. 1. SEM micrographs of (a) BC (b) NBC (c) NSBC (d) BC-BM (e) NBC-BM and (f) NSBC-BM, (g) Raman spectra of biochar before ball milling, (h) Raman spectra of biochar after ball milling, (i) FT-IR spectra of biochar.
杂原子掺杂在生物炭中引入了丰富的氮/硫活性位点，而湿法球磨则显著增加了比表面积，改善孔结构并暴露出更多缺陷位点。这些改性的协同优化了生物炭的表面结构从而为PAA在碳表面的高效活化以及活性氧物种的持续生成提供了结构和化学基础。
NBC/NSBC的催化性能
Fig. 2. Effect of different doping ratios on removal performance, (b) Reaction rate of NBC in the PAA system, (c) Reaction rate of NSBC in the PAA system, (d) Adsorption and degradation of three antibiotics by NBC/NSBC, (e) Effect of PAA concentration on removal performance, (f) Effect of pH on the PAA system, (g) Zeta potential of synthesized biochar, Effect of MeOH, TBA, FFA and p-BQ on the degradation of (h) NBC and (i) NSBC.
通过调控N/S掺杂比例、PAA浓度、pH值探索最佳反应条件，在30 min内实现了对三种磺胺类抗生素的高效去除。此外，进行自由基淬灭实验初步判断体系中参与降解的活性氧物种主要为为¹O₂、•OH和O₂•⁻。
降解机理的研究
Fig. 3. EPR spectrum of (a) TEMP-1O2 adducts, (b) DMPO-•OH adducts, (c) DMPO O2•− adducts, (d) Cyclic voltammograms and (e) electrochemical impedance spectra of various biochar, (f) Linear sweep voltammetry of the NBC-PAA system, (g) Linear sweep voltammetry of the NSBC-PAA system, (h) Open circuit potential curve of NBC, (i) Open circuit potential curve of NSBC.
结合EPR实验和电化学表征，揭示了NBC/NSBC-PAA体系中抗生素的降解机制。N/S掺杂通过引入吡啶氮、石墨氮和噻吩硫等活性位点，并增加材料的晶格缺陷，显著提高了生物炭的导电性和电子传递能力，使其能够作为电子穿梭体促进PAA活化。该体系中抗生素的降解由自由基路径（•OH和O₂•⁻）与非自由基路径（¹O₂和表面电子转移）协同进行，其中非自由基路径发挥主导作用。
Fig. 4. DFT calculations of antibiotics: optimized structures, ESP, isosurfaces of f−, f+, f0 and CDD, and HOMO/LUMO orbitals for (a) SA, (c) SMZ, and (e) STX, Degradation pathways of (b) SA, (d) SMZ, and (f) STX.
结合EPR实验和电化学表征，揭示了NBC/NSBC-PAA体系中抗生素的降解机制。N/S掺杂通过引入吡啶氮、石墨氮和噻吩硫等活性位点，并增加材料的晶格缺陷，显著提高了生物炭的导电性和电子传递能力，使其能够作为电子穿梭体促进PAA活化。该体系中抗生素的降解由自由基路径（•OH和O₂•⁻）与非自由基路径（¹O₂和表面电子转移）协同进行，其中非自由基路径发挥主导作用。
这项工作报道了一种基于玉米秸秆的N/S掺杂纳米生物炭催化剂，实现了对过氧乙酸（PAA）的高效活化以去除水体中的磺胺类抗生素。研究表明，吡啶氮、噻吩硫与石墨化缺陷协同增强了PAA的活化效率，证实了由单线态氧和表面电子转移主导的非自由基路径是污染物的主要降解机制。通过LC-MS分析与DFT计算，识别了抗生素的活性位点并推测可能的降解路径，同时阐明了生物炭衍生DOM与抗生素之间的络合作用。该研究在理论上阐明了杂原子掺杂调控生物炭界面电子转移的机制，为开发低成本、高效且环境友好的抗生素废水处理技术提供了参考依据。
论文链接
E. Liu, J. Zhao, S. Wang, Y. Zhang, X. Song, J. Lv, X. Zhang, J. Peng, A.V. Bildyukevich, Elucidating the multi-channel activation mechanism of an N/S-doped biochar/peracetic acid system for sulfonamide antibiotic degradation, Chemical Engineering Journal, 2026, 10.1016/j.cej.2026.179770.
备注: Permissions for reuse of all Figures have been obtained from the original publisher. Copyright 2026, Elsevier B.V.