抗生素类污染物（如磺胺甲噁唑，SMX）在水环境中具有高稳定性和难降解性，传统处理方法难以实现其深度去除。异相芬顿技术因能利用铁基催化剂活化过氧化氢（H₂O₂）生成高活性的羟基自由基（·OH），成为一种有前景的有机污染物降解手段。然而，现有铁-氮掺杂碳（Fe-NC）催化剂在实际应用中仍面临活性位点暴露不足、铁易团聚、H₂O₂活化效率低以及传质受限等问题，严重制约了其催化效率与实用化进程。

近期，中国科学院新疆理化技术研究所科研人员针对上述问题，设计并开发了一种具有“三明治”层级限域结构的Fe-NC@MCM催化剂。该催化剂以十六烷基三甲基溴化铵CTAB模板化的介孔二氧化硅（CTAB@MCM-41）为载体，通过一步热解铁前驱体和尿素，成功构筑了由内层亲水碳层、中层介孔二氧化硅骨架和外层单原子Fe-N₄O₂位点掺杂的碳氮壳层组成的分级结构。结构表征与X射线吸收精细结构（EXAFS）分析表明，Fe以原子级分散的Fe-N₄O₂配位构型稳定锚定于碳氮壳层中，避免了金属团聚，并显著提升了活性位点的可及性与反应物传质效率。

在H₂O₂驱动的SMX降解实验中，Fe-NC@MCM表现出卓越的催化性能：SMX在4分钟内实现近100%去除，反应速率常数高达2.48 min^-1，总有机碳（TOC）去除率达75%，H₂O₂利用率接近99%。电子顺磁共振（EPR）和自由基淬灭实验证实，·OH是SMX矿化的主导活性物种，降解路径包括羟基化、硫酰胺键断裂、苯环硝化及开环反应，最终生成CO₂、H₂O和SO₄^2-等小分子无机物。此外，该催化剂在五次循环后仍保持70%以上的降解效率，铁离子浸出浓度始终低于欧盟饮用水标准（2 mg·L^-1），展现出良好的稳定性与环境兼容性。

相关成果Hierarchically confined single-atom Fe-N₄O₂sites in carbon nitride for ultrafast H₂O₂activation to sulfamethoxazole mineralization已发表于中国科学院一区期刊Separation and Purification Technology 《分离纯化技术》，新疆理化技术研究所能源化工研究中心殷娇研究员，杨丽萍研究员为共同通讯作者，硕士研究生王晓燕为第一作者。该研究工作得到了新疆维吾尔自治区重点研发计划、天山英才培养计划及中国科学院青年创新促进会等项目的资助。

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图1. 层级限域三明治结构Fe-NC@MCM催化剂活化H₂O₂降解SMX，实现高活性和高H₂O₂利用率