近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所能源研究技術(shù)平臺穆斯堡爾譜研究組研究員王軍虎團隊和北京師范大學(xué)環(huán)境與生態(tài)前沿交叉研究院教授敖志敏團隊合作，發(fā)現(xiàn)了FeN4位點上活化過硫酸鹽（PMS）直接生成單線態(tài)氧（1O2）的反應(yīng)路徑，以及其對污染物的高效降解特性，為深入理解類芬頓反應(yīng)非自由基路徑的產(chǎn)生及其調(diào)控提供了新策略。
大連化物所提出鐵基單原子催化劑上非自由基直接生成的新策略
由于水質(zhì)情況復(fù)雜，各種無機陰離子或高濃度有機物對類芬頓反應(yīng)中自由基基團具有猝滅作用，限制了其在實際廢水處理中的應(yīng)用。非自由基主導(dǎo)的體系可以有效地克服上述限制，不受廣泛存在的水中各種基質(zhì)干擾，對污染物的降解表現(xiàn)出高活性。單線態(tài)氧作為典型的非自由基基團，具有存活時間長，抗干擾性強等特點，但一直以來，對于其如何通過PMS活化產(chǎn)生的路徑存在爭議。
本工作中，合作團隊通過簡單的焙燒，制備了含單原子鐵Fe-NC和鐵氧化物/金屬鐵納米簇的類芬頓催化劑。研究發(fā)現(xiàn)，即使在高鹽度、高濃度腐植酸和寬pH值范圍內(nèi)（無機鹽離子濃度為100mM，腐殖酸濃度為100mg/L，pH為4至9），合成的催化劑仍可以在活化PMS氧化難降解污染物的過程中發(fā)揮作用，表現(xiàn)出了優(yōu)異的環(huán)境耐受性。淬滅實驗與電子順磁共振光譜分析確認，1O2為主要活性物質(zhì)，它直接產(chǎn)生在與PMS末端O原子結(jié)合的FeN4（吡啶）構(gòu)型上。此外，實驗結(jié)果和密度泛函理論（DFT）計算也說明了1O2直接生成過程的有效性和合理性，1O2是由吸附的HSO5-上的兩個O 原子伴隨著兩個HSO4-離子的形成而產(chǎn)生的。本項研究利用單原子催化位點探究單線態(tài)氧的生成路徑，為深入理解類芬頓反應(yīng)非自由基路徑的產(chǎn)生及其調(diào)控提供了新策略。
相關(guān)成果以“Mechanical insight into direct singlet oxygen generation pathway: Pivotal role of FeN4 sites and selective organic contaminants removal”為題，發(fā)表在Applied Catalysis B: Environmental上。該工作的共同第一作者是大連化物所博士研究生張亮和廣東工業(yè)大學(xué)碩士研究生孫蕓。該工作得到了國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院國際伙伴計劃等項目的資助。
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