【原】天津大学李轶Angew.：4f-2p-3d梯度轨道耦合介导类Fenton过程去除抗生素抗性基因！

研究内容

         

过氧化硫酸盐(PMS)介导的自由基和非自由基活性物质可以协同实现抗生素抗性基因(ARGs)的有效消除。然而，增强界面电子循环和优化含氧中间体的偶联来改善PMS活化动力学仍然是一个主要挑战。

         

天津大学李轶基于Ce 4f-O 2p-Co 3d梯度轨道耦合，构建了具有不对称位置的Co掺杂CeVO₄催化剂(Co-CVO)。该催化剂在15分钟内可实现约2.51×10⁵ 拷贝/mL的细胞外ARGs(eARGs)去除，表现出超高的降解速率(k=1.24 min^-1)。PMS在Ce位的还原反应和Co位的氧化反应增强了界面电子循环产生的自由基和非自由基，使ARGs的矿化率显著提高(83.4%)。连续流动反应器10小时有效去除ARGs，显著降低了ARGs在实际废水处理中的生态风险。相关工作以“Efficient Removal of Antibiotic Resistance Genes through 4f-2p-3d Gradient Orbital Coupling Mediated Fenton-Like Redox Processes”为题发表在国际著名期刊Angewandte Chemie International Edition上。

         

研究要点

         

要点1. 作者通过梯度轨道耦合在Co掺杂的CeVO₄(Co-CVO)纳米棒上构建了Ce-O-Co活性位点，用于通过PMS活化去除ARGs。有效梯度4f-2p-3d轨道耦合精确调节了Ce-O-Co活性中心微环境的电子分布，同时优化了Co 3d态的电子结构(尤其是e_g的占据)，促进了含氧中间体的吸附。

         

要点2. Co-CVO催化剂在15分钟内可实现约2.51×10⁵ 拷贝/mL的细胞外ARGs(eARGs)去除，表现出超高的降解速率(k=1.24 min^-1)。连续流动反应器10小时有效去除ARGs，显著降低了ARGs在实际废水处理中的生态风险。

         

要点3. 通过4f-2p-3d轨道耦合，Co-CVO系统中的电子离域显著扩展，导致系统内电荷的重新分布，最终导致Ce-O-Co不对称位点的形成。基于理论计算和实验结果，Co的电子结构被调节，促进了PMS在Co-CVO界面的氧化还原过程。同时，优化的结构通过调节e_g轨道促进了含氧中间体的偶联，产生的羟基自由基(·OH)和¹O₂有效矿化了细胞外ARGs(83.4%)。

         

研究图文

         

图1. Co-CVO的结构表征。

图2. 催化性能评估。

图3. 活性物和电荷转移机制的鉴定。

图4. PMS上不对称Ce-O-Co位点的活化机制。

图5. ARGs的氧化途径及Co-CVO/PVDF在废水处理中的应用。

         

文献详情

         

Efficient Removal of Antibiotic Resistance Genes through 4f-2p-3d Gradient Orbital Coupling Mediated Fenton-Like Redox Processes

Fei Li, Pengfei Wang, Tao Zhang, Mingmei Li, Shuai Yue, Sihui Zhan, Yi Li*

Angew. Chem. Int. Ed.

DOI: https:///10.1002/anie.202313298