上海交大钱旭芳副教授在环境领域国际权威期刊ES&T发表类芬顿反应方面最新研究成果

近日，上海交通大学环境科学与工程学院钙钛矿光电和资源催化团队钱旭芳副教授在类芬顿反应研究方面取得新进展，在环境领域国际权威期刊Environmental Science & Technology （《环境科学与技术》）在线发表了题为“Overcoming Acidic H2O2/Fe(II/III) Redox-Induced Low H2O2 Utilization Efficiency by Carbon Quantum Dots Fenton-like Catalysis”的研究成果。论文第一作者为上海交通大学环境科学与工程学院博士生张婷，第一完成和通讯单位为上海交通大学，合作者包括日本大阪大学工学院山下弘巳教授等。

芬顿反应是深度氧化技术的一种，主要利用Fe(II)与H2O2反应生成强氧化性的HO•，该过程的瓶颈问题包括：H2O2及其中间产物是Fe(III)到Fe(II)的主要还原剂，上述还原反应速率慢是决速步骤，大量Fe(III)存在使H2O2分解成O2副产物，利用率降低；Fe(III)易水解沉淀（pKa=2.2），反应受阻。HO•具有氧化性强（Eθ(HO•, H+/H2O) = 2.8 V vs. NHE）和寿命短（t1/2 < 10-9 s）的特点，HO•介导的氧化反应对有机底物选择性差，污水中的背景有机质也会消耗HO•，对目标微污染物的深度氧化效率低。因此，提高H2O2活化过程HO•生成和利用效率，实现目标微污染物靶向去除是高级氧化研究领域的重要科学问题。 

多年来，研究小组围绕上述科学问题开展了长期研究，取得的成果包括：提出类芬顿反应中增强铁离子还原动力学的新方法；调控H2O2活化微环境，提高H2O2利用效率；构建“吸附-活化-氧化”的限域降解模式，实现有机污染物的选择性去除。利用外加能量（光能）提高Fe(III)还原反应动力学，上述过程显著提高了H2O2活化去除有机污染物的性能（Environ. Sci. Technol., 2017, 51, 3993. Appl. Catal., B, 2018, 231, 108.）。利用碳材料表面含氧基团和石墨化结构，有机微污染物通过氢键和π-π相互作用，实现了“吸附-活化-氧化”限域降解模式，提高了自由基对目标污染物的选择性去除（Environ. Sci. Technol., 2019, 53, 9081；Environ. Sci. Technol., 2020, 54, 13344.）。

最近，研究小组采用简便易行且适合大规模生产应用的电化学氧化剥离法得到了碳量子点（CQDs）胶粒，并率先用于类芬顿反应研究。表面增强拉曼（SERS）、电子顺磁共振波谱（EPR）和理论计算表明，CQDs石墨结构缺陷位置的未配对电子和边缘的羧基协同，显著提高了Fe(III)到Fe(II)离子的还原反应动力学，进一步拓宽了目前广泛使用的还原性试剂和材料（非金属单质、金属单质、金属硫化物、还原性有机小分子）在类芬顿反应中的应用。动力学同位素效应（KIE）测试结果表明，污染物分子通过氢键参与了CQDs介导的Fe(III)的还原过程，这为有机污染物分子内电子参与类芬顿反应提供了依据（Environ. Sci. Technol., 2022, 56, 2617）。该研究得到科技部重点研发项目（2018YFC1802001），国家自然科学基金（21777097）等项目的资助。同时，也获得了上海污染控制与生态安全研究院的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.est.1c06276

Research ID链接：http://www.researcherid.com/rid/F-1376-2018