环境学院王兰教授团队在《Chem Catalysis》上发表光芬顿净化水体污染物重要研究成果

近日，澳门皇冠体育_足球比分￥投注app官网王兰教授团队在Cell Press细胞出版社旗下期刊《Chem Catalysis》上发表了题为“Spatially asymmetric catalyst design with electron-rich Cu sites to facilitate full-spectrum photo-Fenton-like catalysis”的研究论文。

水中难降解有机物对人体健康和生态环境有较大危害，发展稳定、高效的水处理技术具有重要意义。芬顿（Fenton）法作为一种典型的高级氧化工艺，由于其产生的羟基自由基（?OH）具有较高的氧化活性，被认为是最实用的水处理技术之一。相较于传统的铁基Fenton反应，非均相Cu基类芬顿反应中Cu(Ⅰ)对H2O2的活化速率比Fe(Ⅱ)对H2O2的活化更快，因此在氧化分解有机物方面具有较大优势。然而，从Cu(Ⅱ)到Cu(Ⅰ)的缓慢转化仍然是Cu基类芬顿反应的限速步骤。太阳能驱动的Cu基非均相光芬顿技术能有效耦合光催化和芬顿反应，且光催化产生的光生电子可以加速Cu(Ⅱ)还原为Cu(Ⅰ)，促进H2O2分解转化为?OH，这对于解决Cu(II)/Cu(I)循环这一问题至关重要。此外，光生电子的定向传递和理想的富电子微环境也是光芬顿催化活化H2O2的关键问题。

为了克服上述挑战，陕西科技大学王兰教授团队提出了一种非对称结构设计策略，构建了Janus硅酸铜纳米管（CSN）并诱导产生了富电子Cu(Ⅰ)和氧空位缺陷（Vo）位点，实现了有效的全光谱驱动光芬顿催化。该研究发现，Vo和CuO6八面体结构的共存使得CSN获得了优异的全光谱光响应能力；不对称结构所产生的固有内建电场极大地促进了光生载流子的空间分离和光生电子的定向转移；Cu(Ⅰ)位点附近的Vo充当电子陷阱位点，将光生电子富集到其邻近的Cu位点，加速了Cu(Ⅱ)/Cu(Ⅰ)的氧化还原循环，这充分利用了光激发电子“自我补充”来补偿Cu(Ⅰ)位点的给电子能力并实现了H₂O₂的持续活化。

理论计算表明，CSN中Cu原子的d带中心比不含氧空位的CSN的d带中心更接近费米能级，证实了富集电子的Cu位点存在强烈的电子离域；Cu(Ⅰ)位点的强电子离域增强了相邻桥接H位点对H2O2的吸附，而Vo缺陷结构极大地降低了H2O2均裂的自由能（0.912 eV至0.264 eV），从而协同提高了H2O2的利用率（54%，几乎是常规催化剂的2倍）。最终，全光谱辐照下的CSN光芬顿体系实现了对多种难降解污染物的有效去除（均大于95%）；在180 min内对实际印染废水（3905 mg/L）的COD去除率达到54%，体现了其在实际废水深度处理中的应用潜力。这项工作不仅为全光谱响应催化材料的设计提供了新的思路，也为光芬顿催化氧化技术在水体净化中的实际应用提供了理论支持。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.checat.2025.101358

（核稿：陈庆彩 编辑：赵诚）