导语
高级氧化技术在水处理领域应用广泛，但传统芬顿催化剂存在pH适用范围窄、稳定性差等局限性。中国科学院大学刘振刚团队在Small上发表最新研究成果，通过高温碳热冲击技术一步合成了具有双层核壳结构的新型催化剂，实现了对四环素的高效降解，为水处理技术提供了新材料解决方案。
研究亮点
创新结构设计：成功构建Fe⁰核、Fe₃C中间层和高缺陷石墨壳的双层核壳结构
优异降解性能：四环素去除率达99.0%，矿化率69.2%
卓越稳定性：5次循环后活性保持95.8%以上，铁溶出浓度极低
广适应用性：在pH 3-9范围和真实水环境中均保持高活性
图文解析
图1展示了催化剂的合成示意图与微观结构表征。通过水热碳载体和Fe³⁺吸附结合超高温焦耳加热，一步形成具有明确核壳分布的复合结构。TEM、HAADF-STEM和EELS分析表明，Fe-CTS-3000具有均匀的Fe⁰核（约10.4 nm）、连续Fe₃C中间层和高缺陷石墨壳。
图2通过XRD、Mössbauer谱、XANES和EXAFS等多种表征手段证实了Fe⁰和Fe₃C晶相的共存。XPS和Raman光谱分析显示材料具有高石墨化程度和丰富的缺陷结构，有利于反应物吸附和电子传输。
图3总结了碳热冲击温度对物相演变的调控机制，从1000 K时的Fe₂O₃，到2000 K时部分还原为Fe/Fe₂O₃，最终在3000 K形成完整的核壳结构。
图4展示了催化剂的降解性能与稳定性。Fe-CTS-3000/H₂O₂体系在120分钟内对四环素的去除率达99.0%，反应速率常数显著高于对比样品。在宽pH范围和真实水环境中均保持高活性，循环使用5次后仍保持95.8%的活性。
图5通过淬灭实验和EPR测试揭示了降解机制，·OH、·O₂⁻和¹O₂均参与反应，非自由基途径也发挥重要作用。电化学测试显示材料具有优异的电子传输能力。
图6提出了TC的降解机制：TC首先被吸附于催化剂表面，H₂O₂在Fe⁰核上被活化产生自由基，Fe₃C层促进Fe(II)/Fe(III)循环，同时介导电子转移。
图7通过UPLC-Q-TOF-MS分析推断出TC的降解路径，包括脱甲基、脱氨基、开环反应等步骤，毒性评估表明降解中间体毒性显著降低。
技术关联
本研究采用的碳热冲击技术路线，其核心工艺特征与高温快速处理技术高度相关：
超高温处理：3000 K的瞬时高温处理需要设备具备极高的温度上限和快速升温能力
精确温度控制：不同温度下物相结构的精确调控需要稳定的温度控制精度
快速热循环：碳热冲击过程中的快速升降温需要设备提供可控的热循环速率
气氛管理：反应过程中的气氛条件对材料性能有重要影响
总结与展望
本研究通过高温碳热冲击策略一步法制备了具有双层核壳结构的Fe⁰@Fe₃C@石墨催化剂，解决了传统芬顿催化剂稳定性差、效率低的问题。该催化剂通过自由基与非自由基协同机制显著增强类芬顿性能，表现出优异的催化活性和稳定性。
该工作为高效铁碳催化材料的可控合成与污染物深度去除提供了新思路，未来可探索其在复杂水体环境中的长效运行机制及规模化制备途径，推动水处理技术的发展。
文献信息：
Controlled Carbothermal Shock Fabrication of Unique Double‐Layer Core–Shell Fe0@Fe3C@Graphite as an Enhanced, Efficient, and Stable Fenton‐Like Catalyst.
Yewen Shang; Li Shi; Fang Zhang; Wenxing Chen; Lei Luo; Zhengang Liu.
Small, 2025.
DOI: 10.1002/smll.202502858
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