课题组在自由基/非自由基协同的电子转移协同机制方面取得重要进展 - 课题组新闻

文献信息：

A directional Built-in electric field mediates the electron transfer synergy mechanism of the Radical/Nonradical pathway in FeOCl-CuO

https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.133004

Chemical Engineering Journal 430 (2022) 133004

简介：协同自由基/非自由基氧化可以有效降解复杂水环境中的有毒有机污染物，但尚未开发出协同电子转移机制。近日，团队的硕士研究生左诗语在Chemical Engineering Journal期刊上发表题为“A directional Built-in electric field mediates the electron transfer synergy mechanism of the Radical/Nonradical pathway in FeOCl-CuO”的研究文章。研究首次在 FeOCl-CuO 中建立定向内建电场，可协同转移自由基和非自由基电子。定向内建电场提供电子传递通道，CuO氧化过一硫酸盐（PMS）生成¹O₂并获得电子，电子通过定向内建电场传递给FeOCl，FeOCl催化PMS生成·OH和SO₄^{· -}并失去电子。因此，活性氧迅速产生，有毒有机污染物被协同氧化降解。这种定向的内置电场介导的自由基/非自由基协同机制可以实现电子协同作用，克服自由基或非自由基反应的电子得/失限制，从而高效、持续、稳定地催化降解有毒有机污染物（动力学反应）。速率常数增加 38.3 倍）。中试装置可以稳定去除污染物。所开发的动力学模型成功地预测了不同条件下的动力学反应速率常数。理论计算和毒性评估表明，这种协同的自由基/非自由基氧化途径可以有效地将双酚A（BPA）降解为毒性较小或无害的小分子，并在碱性环境中捕获碳以减少碳排放。本研究为复杂水环境中通过协同自由基/非自由基氧化对有毒有机废水进行高效、持续和低碳处理提供了新的见解。

Fig. 1. (a) XPS, (b) EPR, (c) XPS Fe 2p, (d) XPS Cu 2p, (e) EIS and (f) CV of FeOCl, FeOCl-CuO and CuO; (g) calculated electrostatic potentials for FeOCl and CuO; (h) differential charge density image of FeOCl-CuO.

Fig. 2. The Degradation of BPA in the PMS, PMS/FeOCl, PMS/CuO, PMS/FeOCl-CuO; (b) cyclic experiment of FeOCl-CuO; (c) inhibitor in PMS/FeOCl-CuO; (d) EPR of DMPO; (e) EPR of TEMP; (f) the correlation between the intensity of ·OH and ¹O₂ and the kinetic reaction rate constant; (g) correlation between the intensity of ·OH and ¹O₂ and the composite ratio; (h) XPS Fe 2p; (i) XPS Cu 2p; (j) charge density difference in FeOCl-CuO/PMS; (k) possible reaction mechanism.

　　综上所述，首次成功构建了 FeOCl-CuO 中的定向内建电场作为快速电子转移通道，促进了自由基和非自由基位点之间的快速电子转移。定向内建电场为定向电子转移提供通道：CuO氧化PMS生成1O2并获得电子，电子通过定向内建电场传递给FeOCl，FeOCl催化PMS生成·OH和SO4· - 并失去电子。因此，FeOCl 介导的自由基反应和 CuO 介导的非自由基反应之间的电子态平衡被协同有效地产生 ROS 并协同降解有毒有机污染物。与传统的自由基或非自由基反应相比，这种定向的内置电场介导的自由基/非自由基协同机制可以实现电子协同作用，克服自由基或非自由基反应的电子得/失限制，从而实现高效、持续和有毒有机污染物的稳定催化降解（动力学反应速率常数高 38.3 倍）。反应器中污染物的稳定去除和动力学建模成功地用于预测不同工艺条件下 FeOCl-CuO/PMS 下污染物的降解动力学。理论计算和毒性评估表明，这种协同的自由基/非自由基氧化途径可以有效地将 BPA 降解为毒性较小或无害的小分子，并在碱性环境中捕获碳以减少碳排放。本研究为复杂水环境中通过协同自由基/非自由基氧化对有毒有机废水进行高效、持续和低碳处理提供了新的见解。