医院废水中的抗生素残留如何高效清除？传统方法存在二次污染风险，天津大学团队在《Engineering》发表的最新研究给出新答案：通过精准调控铜原子在MXene材料（一种二维金属碳化物）上的分布模式，首次实现过硫酸盐（PMS）激活效率提升近6倍，磺胺甲恶唑（SMX，常见抗生素）降解率高达97.3%。这项“原子级操控”技术，为水处理行业按下“精准治污”加速键。

从“单兵作战”到“团队协作”：铜原子排列决定净水效率
传统水处理催化剂常面临金属泄漏、活性位点利用率低的难题。研究团队采用原子层沉积技术（ALD），像“纳米级3D打印机”一样，在MXene材料表面精准锚定铜原子，制备出单原子、团簇和薄膜三种分布模式。实验显示，团簇结构（C-Cu-MXene）对PMS的吸附能（-5.435电子伏特）远超单原子（-4.236）和薄膜结构（-3.548），如同磁铁般牢牢锁住氧化剂分子。这种“抱团作战”模式使SMX降解速率达0.0485 min⁻¹，是薄膜结构的近6倍，60分钟内污染物去除率超过99%。

解密“原子指挥棒”：氧化剂利用率提升61%
团簇结构的秘密藏在电子转移中。密度泛函理论（DFT）计算显示，团簇铜与PMS分子间的电子转移量达1.056电子伏特，比单原子模式高出14%。这相当于给PMS装上“分子剪刀”，将原本稳定的O-O键从1.332埃拉伸至1.476埃，轻松切断产生硫酸根自由基（SO₄·⁻）。实验数据表明，团簇结构系统中SO₄·⁻稳态浓度比单原子体系高1-3个数量级，贡献了97.3%的降解效能，氧化剂利用率提升至61%，远超传统催化剂。

毒性“瘦身计划”：降解产物危害降低85%
技术突破不仅在于效率，更在于安全性。研究团队通过液相色谱-质谱（LC-MS）追踪发现，团簇催化剂将SMX分解为12种中间产物，其中4种为独有低毒物质。例如，P6产物的发育毒性值从原药的0.85降至0，生物富集系数降低90%。对比实验显示，团簇系统产生的有毒中间体数量比薄膜结构减少35%，60分钟内总有机碳（TOC）去除率达55.6%，接近彻底矿化。

极端环境“掉链子”？团队预警技术边界
尽管性能卓越，研究也揭示局限：当水体pH值低于5或高于9时，降解效率分别下降至49.8%和34.5%。这如同“智能净水器在强酸强碱环境中突然失灵”，需通过预处理调节水质。此外，多次循环使用后，团簇结构铜含量会从0.26%衰减至0.15%，存在微量金属泄漏风险。团队建议未来研发中引入稀土元素稳定结构，或开发磁性回收技术。

目前，该成果已与深圳环保企业合作中试，目标将催化剂成本控制在现有活性炭体系的1.5倍内。论文通讯作者程占军教授表示：“当每一克催化剂都能‘指哪打哪’，污水处理厂或可缩减药剂投加量60%。”随着“精准催化”技术迭代，未来城市废水处理或迎来从“粗放消杀”到“分子手术”的范式变革。

来源: Engineering