医疗废水中的抗生素如何“一键清除”？传统方法效率低、易泄漏金属，天津大学团队在《Engineering》发布突破性成果：通过精确控制铜原子在MXene材料（一种类石墨烯二维材料）上的排列模式，使过硫酸盐（PMS）激活效率提升近5倍，磺胺甲恶唑（SMX，常见抗生素）降解率高达97.3%。这项技术如同为水处理装上“分子开关”，60分钟内即可将有毒废水净化至安全标准。

“原子乐高”黑科技：铜团簇成降解效率倍增器
研究团队采用原子层沉积技术（ALD），像“纳米级3D打印机”般在MXene表面精准铺设铜原子，形成单原子、团簇和薄膜三种结构。实验发现，团簇结构（C-Cu-MXene）对PMS的吸附能达-5.435电子伏特，远超单原子模式（-4.236），相当于用磁铁“锁死”氧化剂分子。这种“抱团作战”模式使SMX降解速率飙升至0.0485 min⁻¹，是传统薄膜结构的5.9倍，60分钟内污染物去除率超99%。论文比喻：“当铜原子从‘单打独斗’变为‘团队作战’，氧化反应就像按下快进键。”

电子转移“涡轮增压”：氧化剂利用率突破61%
秘密藏在电子流动中。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，比单原子结构高14%。这如同给PMS装上“分子剪刀”，将其O-O键从1.332埃拉伸至1.476埃，轻松切断产生强氧化剂硫酸根自由基（SO₄·⁻）。数据表明，团簇系统SO₄·⁻浓度比单原子体系高3个数量级，贡献97.3%降解效能，氧化剂利用率提升至61%，远超行业平均水平。

从“毒水”到清流：毒性中间体减少35%
技术突破不止于速度，更在于安全。液相色谱-质谱（LC-MS）追踪显示，团簇催化剂将SMX分解为12种中间产物，其中P6等4种为独有低毒物质。对比实验发现，团簇系统产生的有毒中间体数量比薄膜结构少35%，60分钟内总有机碳（TOC）去除率达55.6%，接近彻底矿化。论文警示：若采用传统催化剂，SMX降解可能生成致癌物硝基化合物，而新技术将发育毒性值从0.85降至0。

技术边界预警：强酸强碱环境易“罢工”
研究同时揭示局限：当水体pH值低于5或高于9时，降解效率分别骤降至49.8%和34.5%。这如同“净水器遭遇极端天气”，需通过预处理调节水质。此外，5次循环使用后，团簇铜含量从0.26%衰减至0.15%，存在微量金属泄漏风险。团队正联合企业开发稀土元素稳定技术，目标将催化剂成本控制在活性炭体系的1.3倍内。

目前，该技术已在深圳某污水处理厂启动中试，每日可处理抗生素废水50吨。项目负责人透露，未来计划构建“智能催化网格”，通过物联网实时调控铜原子分布模式，应对不同水质场景。正如论文结语所言：“当每个金属原子都成为精准的‘分子手术刀’，水处理将迈入原子经济新时代。”

来源: Engineering