環(huán)境學(xué)院王蘭教授團隊在《Chem Catalysis》上發(fā)表光芬頓凈化水體污染物重要研究成果

近日，我校王蘭教授團隊在Cell Press細(xì)胞出版社旗下期刊《Chem Catalysis》上發(fā)表了題為“Spatially asymmetric catalyst design with electron-rich Cu sites to facilitate full-spectrum photo-Fenton-like catalysis”的研究論文。

水中難降解有機物對人體健康和生態(tài)環(huán)境有較大危害，發(fā)展穩(wěn)定、高效的水處理技術(shù)具有重要意義。芬頓（Fenton）法作為一種典型的高級氧化工藝，由于其產(chǎn)生的羥基自由基（?OH）具有較高的氧化活性，被認(rèn)為是最實用的水處理技術(shù)之一。相較于傳統(tǒng)的鐵基Fenton反應(yīng)，非均相Cu基類芬頓反應(yīng)中Cu(Ⅰ)對H2O2的活化速率比Fe(Ⅱ)對H2O2的活化更快，因此在氧化分解有機物方面具有較大優(yōu)勢。然而，從Cu(Ⅱ)到Cu(Ⅰ)的緩慢轉(zhuǎn)化仍然是Cu基類芬頓反應(yīng)的限速步驟。太陽能驅(qū)動的Cu基非均相光芬頓技術(shù)能有效耦合光催化和芬頓反應(yīng)，且光催化產(chǎn)生的光生電子可以加速Cu(Ⅱ)還原為Cu(Ⅰ)，促進H2O2分解轉(zhuǎn)化為?OH，這對于解決Cu(II)/Cu(I)循環(huán)這一問題至關(guān)重要。此外，光生電子的定向傳遞和理想的富電子微環(huán)境也是光芬頓催化活化H2O2的關(guān)鍵問題。

為了克服上述挑戰(zhàn)，陜西科技大學(xué)王蘭教授團隊提出了一種非對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計策略，構(gòu)建了Janus硅酸銅納米管（CSN）并誘導(dǎo)產(chǎn)生了富電子Cu(Ⅰ)和氧空位缺陷（Vo）位點，實現(xiàn)了有效的全光譜驅(qū)動光芬頓催化。該研究發(fā)現(xiàn)，Vo和CuO6八面體結(jié)構(gòu)的共存使得CSN獲得了優(yōu)異的全光譜光響應(yīng)能力；不對稱結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的固有內(nèi)建電場極大地促進了光生載流子的空間分離和光生電子的定向轉(zhuǎn)移；Cu(Ⅰ)位點附近的Vo充當(dāng)電子陷阱位點，將光生電子富集到其鄰近的Cu位點，加速了Cu(Ⅱ)/Cu(Ⅰ)的氧化還原循環(huán)，這充分利用了光激發(fā)電子“自我補充”來補償Cu(Ⅰ)位點的給電子能力并實現(xiàn)了H₂O₂的持續(xù)活化。

理論計算表明，CSN中Cu原子的d帶中心比不含氧空位的CSN的d帶中心更接近費米能級，證實了富集電子的Cu位點存在強烈的電子離域；Cu(Ⅰ)位點的強電子離域增強了相鄰橋接H位點對H2O2的吸附，而Vo缺陷結(jié)構(gòu)極大地降低了H2O2均裂的自由能（0.912 eV至0.264 eV），從而協(xié)同提高了H2O2的利用率（54%，幾乎是常規(guī)催化劑的2倍）。最終，全光譜輻照下的CSN光芬頓體系實現(xiàn)了對多種難降解污染物的有效去除（均大于95%）；在180 min內(nèi)對實際印染廢水（3905 mg/L）的COD去除率達到54%，體現(xiàn)了其在實際廢水深度處理中的應(yīng)用潛力。這項工作不僅為全光譜響應(yīng)催化材料的設(shè)計提供了新的思路，也為光芬頓催化氧化技術(shù)在水體凈化中的實際應(yīng)用提供了理論支持。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.checat.2025.101358

（核稿：陳慶彩 編輯：趙誠）