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细胞外抗生素耐药性基因（eARGs）在水生环境中的广泛传播给人类健康带来了严峻挑战。在此，我们利用缺陷工程策略，开发了一种通用合成方法，该方法利用绿色氧化剂 K2FeO4 诱导的氧化蚀刻和催化石墨化，从氧化石墨烯（PVDC）或可再生生物质前体（生物质衍生的 PVDC）中制备出具有五边形和相邻碳空位的碳材料，并且这些缺陷可以通过交流扫描透射电子显微镜（ac-STEM）在 PVDC 中直接观察到。我们首先证明，内源性缺陷可通过无氧化剂的直接电子转移（DET）途径降解eARGs，这挑战了长期以来的观点——即碳缺陷仅仅是被动的结构不规则性，且缺陷介导的催化作用必须依赖外部氧化剂。五边形缺陷（电子受体位点）、相邻的碳空位（电子传输通道）以及周围的六边形区域（有助于电荷离域）之间的协同耦合，使其效率远高于孤立的缺陷类型，并通过热力学上有利的 DET 驱动了一个完全自驱动、无氧化剂的降解循环。PVDC及生物质衍生PVDC在复杂水基质和长期柱式运行中表现稳定，同时消除了与eARG相关的转化风险；生命周期评估进一步证实了该无氧化剂系统的环境效益。本研究确立了自驱动、无氧化剂水处理的缺陷工程范式，并揭示了缺陷如何在碳催化中介导DET。
图文摘要
引言
在此，我们提出了一种基于K₂FeO₄诱导的氧化蚀刻和催化石墨化的一般合成策略，该策略可利用氧化石墨烯（PVDC）或可再生生物质前驱体（生物质衍生PVDC）制备出具有五边形结构及相邻碳空位的碳材料。我们假设，五边形作为电子受体中心，能够吸附并活化环境芳香族烃（eARGs），而相邻的碳空位则作为导电通道，快速传递提取的电子，从而实现一种自驱动、无氧化剂的降解途径。因此，本研究旨在：(1) 合成并表征具有可控缺陷类型的碳材料，重点关注独特的PVDC结构； (2) 严格评估并比较其对无氧化剂eARGs降解的效能，超越单纯吸附阶段，证明真正的催化降解；以及 (3) 结合电化学分析、原位监测和密度泛函理论（DFT）计算来阐明机理，特别是证明耦合的五边形和空位在实现所提出的自驱动电子转移循环中的作用。我们的研究挑战了两种普遍存在的假设：即碳缺陷仅作为被动的结构不规则性存在，以及缺陷介导的催化作用需要外部氧化剂。
图文导读
Fig. 1. (a) Schematic illustration of the fabrication of PVDC. HRTEM images of (b) VDC, (c) PDC, and (d) PVDC. Inverse FFT filtered images derived from ac-TEM images of (e) VDC, (f) PDC, and (g) PVDC. (h) Cartoon pictures of “roads and warehouses” to express structural diagram of PVDC.
研究意义
总而言之，我们开发了一种通用合成方法，能够以氧化石墨烯或生物质前驱体为原料，制备出含有五边形及相邻碳空位的碳材料。我们的研究结果挑战了两种长期存在的观点：碳缺陷不仅是被动的异常结构，更是活跃的催化中心；外部氧化剂并非缺陷介导催化所必需。耦合的拓扑缺陷形成了局域化的电子缺失位点，这些位点会自发吸附eARG并提取其电子，而周围的六边形区域则提供了互补的富电子基质。这种电子相互作用在无需外部氧化剂或能量输入的情况下，启动了自催化氧化循环。PVDC及其生物质衍生物表现出优异的性能，并消除了与eARG相关的转化风险，而生命周期评估（LCA）证实了该无氧化剂系统的环境效益。本研究展示了一种设计无金属、自驱动净化系统的可行策略，并深化了对碳基环境催化中自催化电子转移途径的机理理解。
文献信息
Tao Wang, Yu Chen, Chuan Liang, Haiyang Yu, Youbin Si, Baoshan Xing, Challenging the oxidant dogma: Self-driven degradation of antibiotic resistance genes via carbon defects featuring pentagons and adjacent vacancies, Applied Catalysis B: Environment and Energy, 2027, https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2026.127378
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