近日，汕头大学化学化工学院夏红、鲁福身团队在“类芬顿介导的环境催化”领域取得进展，相关研究成果以“Novel high-valent copper species-involved photo-Fenton-like process boosted by nitrogen/oxygen dual defects modulation”为题发表在化学工程技术领域一区top期刊“Separation and Purification Technology” (影响因子8.1)上。
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https://doi.org/10.1016/j.seppur.2024.128247
图1.氮/氧双缺陷调控的Cu3+参与的类光-芬顿降解污染物示意图
水污染严重制约着社会的可持续发展。开发高效的污染物处理技术对生态环境和人类健康具有十分重要的意义。以类芬顿氧化为代表的高级氧化技术（AOPs）是去除水中难降解有机污染物最有效的手段之一，在污水处理领域发挥着重要作用。
图2. (a) CuO-Ov NDs/CN-Nvac 的合成路线, (b-g) 催化剂的TEM图
近年来，活化过硫酸盐（PS）产生高价金属物种降解污染物在废水处理方面展示了显著的潜力，引起了极大的关注。研究已证实，高价金属活性物种在降解有机污染物中表现出显著的选择性和优异的抗干扰特性。目前，高价金属物种，如Fe(IV)、Co(IV)、Mn(VII)和Ni(IV)，已广泛应用于有机污染物的降解。
相比之下，高价铜（Cu(III）主导的AOPs仍处于初级探索阶段。而且，固态Cu(III)的电位为2.3 V，高于Fe(VI)（2.2 V）和Mn(VII)（1.68 V）的电位，高电位有利于污染物的降解。目前可用于产生异相Cu(III)的催化剂较少。CuO作为活化PMS的典型铜基催化剂，受到了广泛关注。然而，单独的CuO或其复合材料活化PMS时通常是自由基、单线态氧或Cu(III)共存，很难实现Cu(III)的高选择性。
此外，涉及异相Cu(III)降解污染物的机制比高价Fe/Co物种的机制更为复杂，即异相Cu(III)可以作为高效氧化剂，直接氧化污染物，它也可以活化PMS生成单线态氧以降解污染物。尽管Cu(III)研究取得了一些进展，但Cu(III)的生成机制及其在过硫酸盐活化和污染物降解中的高效利用仍未被完全理解。探索新型Cu(III)基异相催化体系以及Cu(III)在PMS活化中作用仍然是一个非常具有挑战性的研究课题。
图3. (a) CuO-Ov NDs/CN-Nvac 活化PMS降解污染物性能及不同水系抗干扰能力测试
针对上述问题，夏红、鲁福身团队以新型的氮、氧双缺陷共修饰的0D/2D CuO纳米点（NDs）/g-C3N4纳米片杂化材料（图1）为研究平台，将其用于高效活化PMS。该平台通过连续生成表面Cu(III)作为关键活性物种，对降解四环素表现出优异的催化活性和稳定性（图2）。
氮、氧双缺陷和CuO/g-C3N4强界面耦合作用显著提高了光生电荷分离效率，并诱导了富电子的Cu位点的形成。这导致了催化剂表面的Cu(II)持续且快速的转化为Cu(I)，然后Cu(I)进过两电子转移，持续氧化生成Cu(III)。Cu(III)充当主要的活性氧物种进攻有机污染物，实现污染物的高效降解。本研究深入探讨了PMS活化过程中Cu(III)物种的性质，为Cu(III)在污染物治理领域的应用提供了有价值的指导。
图4.（a-b）活性物种捕获实验, (c) 原位拉曼光谱,（d）PMSO消耗量，(f)不同催化剂修饰电极的CV曲线
本工作主要由2022级硕士研究生邹春慧同学，2021级硕士研究生徐慧玲同学和2018级硕士研究生刘铭恩同学共同完成，夏红博士和鲁福身教授为共同通讯作者。本工作得到了广东省自然科学基金、广东省普通高校特色创新项目、李嘉诚交叉学科研究基金和汕头大学科研启动经费项目的资助。
课题组成员合影
终审：鲁福身 复审：倪昊 初审：夏红
