磺胺类抗生素（如磺胺甲噁唑，SMX）在水环境中具有持久性和生物累积性，传统水处理技术难以实现其深度去除。异相催化臭氧化（HCO）因能利用催化剂促进臭氧分解生成高活性氧物种（ROS），成为一种有前景的有机污染物降解技术。然而，HCO技术在实际应用中仍面临两大瓶颈：一方面，铁基催化剂的活性位点易团聚或流失，导致催化活性下降；另一方面，气-液-固三相间的传质效率较低，限制了污染物降解速率和臭氧利用率。

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，设计并开发了一种氮掺杂棉秆生物炭负载混合价态铁纳米颗粒的催化剂（FeO_x-N-BC），并将其与臭氧微纳气泡（O₃-MNBs）耦合，构建了FeO_x-N-BC/O₃-MNBs双增强催化臭氧化体系。该催化剂以新疆丰富的棉秆为碳源，通过浸渍-两步热解法制备，氮掺杂有效调控了碳载体的电子结构，促进了铁活性位点的均匀分散与Fe⁰/Fe²⁺/Fe³⁺多价态共存，增强了电子转移能力和臭氧活化效率。同时，微纳气泡技术凭借其高比表面积和优异的气-液传质能力，显著提高了臭氧在水相中的溶解与利用效率。

在最优条件下，FeO_x-N-BC/O₃-MNBs体系对SMX的去除率达83.3%，矿化率为37.9%，拟一级反应速率常数为0.30 min^-1，显著优于单独臭氧化或未掺杂体系。电子顺磁共振（EPR）和自由基淬灭实验表明，该体系以单线态氧（¹O₂）为主导活性物种（贡献率25.13%），同时辅以羟基自由基（·OH），形成自由基-非自由基双路径协同降解机制。X射线光电子能谱（XPS）分析证实，反应过程中C、N、Fe物种发生协同价态演变，持续维持ROS生成与催化稳定性。该催化剂在五次循环后仍保持51.1%的降解效率，且对常见阴离子具有良好的耐受性，铁离子浸出低于检测限，展现出优异的稳定性与环境安全性。

相关成果以Singlet oxygen-dominated dual-pathways catalytic ozonation of sulfamethoxazole over FeO_x-N-BC/O₃-MNBs system为题发表于Journal of Environmental Chemical Engineering。新疆理化技术研究所能源化工研究中心殷娇研究员、新疆农业大学张欣茜教授为共同通讯作者，硕士研究生蔡美玲为第一作者。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 不同催化剂催化臭氧对SMX的去除效率以及臭氧利用率

图2 FeO_x-N-BC促进O₃-MNBs降解SMX的具体反应路径机制