硫化物助催化芬顿反应深度处理水中污染物的研究

水中污染物得深度处理及净化一直是环境领域得研究热点。芬顿反应作为典型的高级氧化技术（AOPs）被广泛应用于水中有机污染物的去除。但芬顿反应中H₂O₂的分解效率仍然处于很低的水平（<30%）。在传统芬顿反应中往往需要加入大量的H₂O₂（30～6000 mmol/L）和Fe²⁺（18～410 mmol/L）来保证生成足够高浓度的活性物种，这不仅增加了反应成本还使芬顿反应容易中毒。华东理工大学的张金龙教授（点击查看介绍）与邢明阳副教授（点击查看介绍）研究团队前期工作发现，商品化MoS₂具有助催化Fenton反应高效分解H₂O₂的效应，在一个相对较低的芬顿试剂浓度下，MoS₂表面暴露出的还原态的金属原子可以加速Fe³⁺/Fe²⁺的转化效率，提高了水中Fe²⁺的稳定性以及H₂O₂的分解效率（Chem, 2018, 4, 1359-1372）。

芬顿反应作为一种典型的AOPs，很少有文献报道其具有还原活性，这主要是因为芬顿反应中铁离子的循环效率低导致Fe³⁺浓度过高，Fe²⁺浓度过低无法表现出低价态铁离子的还原活性。近日，该课题组利用硫化钨助催化技术首次实现了芬顿反应同步氧化降解苯酚与还原六价铬（Environ. Sci. Technol., 2018, DOI: 10.1021/acs.est.8b02403）。研究发现，WS₂在光辅助Fe(II)/H₂O₂芬顿体系中对H₂O₂的分解有显著的协同催化作用。在WS₂协同催化作用下，H₂O₂的分解效率从22.9%提高到60.1%，标准芬顿反应需要0.4 mmol/L 的H₂O₂ 和0.14 mmol/L的Fe²⁺ 的最低浓度。有趣地是，协同催化芬顿策略可以同时氧化苯酚（10mg /L）和还原Cr(VI) (40mg /L)，相应的氧化降解率和还原率在5分钟内可分别达到80.9%和90.9%，远高于常规的芬顿反应的效率（52.0%和31.0%）。WS₂表面暴露的还原W⁴⁺活性位点可以大大加快Fe³⁺/Fe²⁺转化的限速步骤，在H₂O₂的分解和Cr(VI)的还原反应中起关键作用。该研究发现是无机助催化AOPs领域的一个突破，极大地提高了该策略在环境应用中的实用价值。

另一方面，为了实现对饮用水的深度净化，该课题组继续以MoS₂为助催化剂，首次将暗芬顿反应成功应用于饮用水快速杀菌领域（Water Res., 2018, 145, 312-320）。作为一种典型的高级氧化技术，芬顿反应由于羟基自由基（•OH）的强氧化性，在杀菌消毒领域具有广泛应用前景。但传统芬顿体系的H₂O₂分解效率一直较低，从而导致无光条件下芬顿的杀菌消毒效果一直不理想。张金龙教授与邢明阳副教授团队首次利用MoS₂助催化芬顿反应实现了对大肠杆菌K-12和金黄色葡萄球菌的快速杀灭。MoS₂作为Fe(II)/H₂O₂芬顿体系的助催化剂，利用其表面暴露的Mo⁴⁺活性位点显著提高了芬顿反应中Fe(III)/Fe(II)的循环效率，同时提高了H₂O₂的分解效率。MoS₂助催化芬顿体系可在1分钟内实现对大肠杆菌83.37%的灭活率，30分钟内100%的灭活率。本研究为在无光环境下细菌的快速高效灭活提供了新的思路。

该系列工作分别由博士研究生董陈成及硕士研究生刘俊同学为第一作者，张金龙教授及邢明阳副教授为通讯作者，于近期分别发表在环境领域知名期刊Environ. Sci. Technol.^[1]和Water Res. ^[2]上。

1. 该论文作者为：Chencheng Dong, Jiahui Ji, Bin Shen, Mingyang Xing, and Jinlong Zhang

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Enhancement of H₂O₂  Decomposition by the Co-catalytic Effect of WS₂ on the Fenton Reaction for the Synchronous Reduction of Cr(VI) and Remediation of Phenol

Environ. Sci. Technol., 2018, DOI: 10.1021/acs.est.8b02403

2. 该论文作者为：Jun Liu, Chencheng Dong, Yuanxin Deng, Jiahui Ji, Shenyuan Bao, Cuirong Chen, Bin Shen, Jinlong Zhang, Mingyang Xing

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Molybdenum Sulfide Co-catalytic Fenton Reaction for Rapid and Efficient Inactivation of Escherichia Coli

Water Res., 2018. 145: 312-320, DOI: 10.1016/j.watres.2018.08.039

导师介绍

张金龙

http://www.x-mol.com/university/faculty/10415

邢明阳

http://www.x-mol.com/university/faculty/38293