一項發(fā)表于《科學通報》的研究表明，科研團隊成功開發(fā)出一種“空間解耦”電催化劑，該裝置在水凈化過程中可自主產生氧氣，徹底擺脫對高耗能外部曝氣的依賴。該系統在去除水中抗生素磺胺二甲嘧啶方面效率顯著，去除率達98%，是傳統外部曝氣技術的近兩倍，同時將處理成本較常規(guī)氧化工藝降低95%至98%。

該創(chuàng)新技術的核心在于由氮摻雜碳基體嵌入鈷團簇并富含氧空位的陰極材料。傳統催化劑設計中，同一催化位點需同時承擔捕氧與電子傳遞功能，易陷入活性與選擇性的權衡瓶頸。新設計通過納米級分工破解了這一難題：催化劑表面的氧空位負責捕獲氧氣分子，而鈷核則通過氮摻雜碳基質持續(xù)輸送電子以再生位點并推動反應進行。

在與陽極配合工作時，系統可在陽極處裂解水分子原位生成氧氣。生成的氧氣被輸送至陰極，由氧空位捕獲并還原為過氧化氫。隨后，過氧化氫在相鄰的鈷氮位點被活化生成單線態(tài)氧，這種高活性物質可有效降解抗生素等有機污染物。由于氧氣在電化學電池內完成生成與消耗，整個凈化過程無需依賴通常占據運營預算主體的鼓風機和空氣泵設備。

多項性能指標均取得實質性突破。除磺胺二甲嘧啶去除率達98%外，該自曝氣系統還去除了超過90%的總有機碳（TOC），表明污染物已被近乎完全礦化為無害終產物。相比之下，同等條件下外部曝氣系統的總有機碳礦化率不足4%。技術經濟評估顯示，廢水處理成本僅為每噸0.25美元，主要節(jié)省來源于取消高能耗曝氣風機及常規(guī)系統所需的化學試劑連續(xù)投加。配套的碳足跡分析指出，間接碳排放量減少82%。

該系統的實際可行性已通過真實樣本測試得到驗證。在含有復雜藥物及其他污染物的原始醫(yī)院廢水試驗中，系統實現了92%的總有機碳去除率，并達到官方排放標準。這一現實條件下的表現表明，該技術有望部署于抗生素殘留對下游生態(tài)系統和公共衛(wèi)生構成長期風險的場所。研究團隊指出，將氧氣捕獲與電子傳遞在界面處解耦的設計理念，可拓展至二氧化碳還原、氮氣還原等其他受吸附與電子轉移沖突限制的電化學反應領域。

資料來源：bioengineer.org；原文發(fā)布日期：2026-10-26。本文為資料編譯。