近日，同濟(jì)大學(xué)化學(xué)科學(xué)與工程學(xué)院趙國華教授、趙紅穎教授團(tuán)隊(duì)在化學(xué)領(lǐng)域國際著名期刊“Angewandte Chemie International Edition”（《德國應(yīng)用化學(xué)》）上發(fā)表了題為“Selective electrocatalytic reduction of oxygen to hydroxyl radicals via 3-electron pathway with FeCo alloy encapsulated carbon aerogel for fast and complete removing pollutants”的論文。該研究提出以分子氧為綠色氧化劑，3電子選擇性電催化還原原位產(chǎn)生羥基自由基，可用于環(huán)境污染物的快速、高效去除，突破了傳統(tǒng)芬頓方法中以過氧化氫為氧化劑的經(jīng)典反應(yīng)概念，無需投加過氧化氫和鐵鹽試劑，為綠色、高效水處理技術(shù)提供一種嶄新的方法。
發(fā)展綠色、高效的水污染控制新技術(shù)一直是水環(huán)境污染治理的研究熱點(diǎn)，直接影響著水資源的生態(tài)安全和人類健康。芬頓反應(yīng)作為一種環(huán)境友好的高級氧化技術(shù)（AOPs），操作簡單，能高效產(chǎn)生活性氧物種羥基自由基（?OH），具有氧化能力強(qiáng)、礦化效率高等優(yōu)點(diǎn)，在環(huán)境水污染控制領(lǐng)域受到研究者廣泛關(guān)注。然而，傳統(tǒng)芬頓反應(yīng)中?OH的產(chǎn)生受限于Fe(II)/Fe(III)循環(huán)反應(yīng)速率慢的限制，pH適用范圍窄，是當(dāng)前實(shí)際水處理中亟待解決的關(guān)鍵問題。
分子氧是自然界中最為豐富、清潔且廉價易得的氧化劑。然而分子氧在常溫常壓下非常穩(wěn)定，無法直接用于有機(jī)污染的降解。這是因?yàn)榉肿友跏侨€態(tài)分子，與單線態(tài)有機(jī)污染物的反應(yīng)是禁阻的，必須經(jīng)過催化活化才能用作氧化劑。因此，如何以分子氧為氧化劑，為進(jìn)一步發(fā)展綠色、高效的?OH產(chǎn)生方法，克服經(jīng)典芬頓反應(yīng)中的問題，是提升芬頓等高級氧化技術(shù)升級的前沿發(fā)展方向和重要科學(xué)問題，也是目前環(huán)境領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
趙國華教授、趙紅穎教授團(tuán)隊(duì)在研究工作中，提出了電催化還原分子氧產(chǎn)生?OH的新方法。構(gòu)筑具有碳層包覆合金結(jié)構(gòu)的一體化鐵鈷碳?xì)饽z（FeCoC）陰極，該電極具有高比表面積、高空間利用率、高導(dǎo)電性、且易直接成型等優(yōu)異電化學(xué)性能。研究表明，電催化還原分子氧的活性位點(diǎn)位于石墨碳層表面，首先發(fā)生兩電子電催化氧還原產(chǎn)生H2O2，進(jìn)而H2O2單電子電催化還原產(chǎn)生?OH。通過原位氣壓測試驗(yàn)證了整個分子氧還原為電化學(xué)過程，表觀電子轉(zhuǎn)移數(shù)為3.1。不同于傳統(tǒng)芬頓反應(yīng)，整個分子氧還原為電催化過程，電催化活性位點(diǎn)在石墨碳層表面，鐵鈷合金被保護(hù)在碳層內(nèi)部，不僅避免與外界溶液接觸反應(yīng)，無金屬離子溶出，不產(chǎn)生鐵泥，還克服了傳統(tǒng)芬頓反應(yīng)Fe(II)/Fe(III)價態(tài)循環(huán)慢的速率控制，將該電催化還原分子氧能在寬pH（3-11）范圍保持HO?的高產(chǎn)生效率。將該方法應(yīng)用于有機(jī)污染物的降解，5 分鐘內(nèi)可完全降解污染物，且電極循環(huán)穩(wěn)定性優(yōu)異，具有良好的應(yīng)用前景。
同時，該團(tuán)隊(duì)通過X射線吸收近邊結(jié)構(gòu)光譜、近邊X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)光譜、電子順磁共振波譜、原位氣壓法、線性掃描伏安法以及密度泛函理論計(jì)算對電催化還原分子氧選擇性產(chǎn)生?OH的分子機(jī)理進(jìn)行了深入探究。該研究工作提出的界面電子調(diào)控選擇性電催化還原分子氧產(chǎn)生?OH理論體系，為有毒有害有機(jī)污染物的綠色、高效氧化降解新方法的研究和應(yīng)用提供了重要理論基礎(chǔ)，拓展了環(huán)境水處理技術(shù)。
趙國華教授、趙紅穎教授為論文通訊作者，化學(xué)科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生肖凡為論文第一作者。相關(guān)研究工作獲得了國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目和面上項(xiàng)目的資助。
來源：同濟(jì)大學(xué)
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/anie.202101804
