同济大学林思劼教授团队PNAS：钛基纳米团簇类芬顿催化助力新污染物治理新进展

近日，国际权威刊物《美国科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, PNAS）在线发表了同济大学环境科学与工程学院林思劼教授（点击查看介绍）团队的研究论文，该研究巧妙利用MXene本征表面缺陷和丰富的过渡金属源，原位构筑了高活性类芬顿纳米团簇，该方法实现了无定形碳负载的高密度钛基纳米团簇的精准调控，揭示了钛基类芬顿催化剂活化H₂O₂降解阿特拉津的反应机制，实例论证了二维纳米材料安全性设计（Safer-by-Design）的实现路径（Adv. Mater., 2018, 30, 1705691），为内分泌干扰物和抗生素类新污染物的高效治理提供了新策略。林思劼教授为该论文的通讯作者，课题组直博生姜越（现环境学院博士后）为第一作者。

该研究开发了一种新型的H₂O₂湿法氧化工艺。以Ti₃C₂ MXene为模板，利用其刻蚀过程中形成的本征Ti缺陷与H₂O₂发生强烈的氧化还原反应，原位生成无定形碳负载的高密度TiO_1.47纳米团簇（TiO_1.47@C）。通过改变H₂O₂的浓度和作用时间筛选最优的制备条件（10 mol•L⁻¹ H₂O₂, 30 min），同时达到最大的样品产率（> 97%）。进一步通过DFT理论计算证明了Ti₃C₂ MXene表面的Ti缺陷是形成TiO_1.47纳米团簇的关键反应活性位点，该纳米团簇具有丰富的表面缺陷且体系中存在Ti多价态共存现象（平均价态为+2.94）。基于X射线吸收精细结构谱（EXAFS）的成键变化分析得出，合成过程中H₂O₂原位氧化所导致的Ti-C-Ti键的断裂和Ti-O键的形成是该纳米团簇原位合成的关键。通过Ti元素的价态变化高效活化H₂O₂实现了多种典型新污染物（如阿特拉津、四环素、对硝基苯酚等）的高效降解。

图1. 材料的制备过程、催化效果及产率评估

该方法具有较好的普适性，适用于多种MXene家族材料，包括V₂C、Nb₂C等。该研究拓宽了MXene家族材料的环境应用潜力，在高活性催化纳米团簇原位合成的同时实现了纳米团簇在碳基板上的复合锚定，有效降低了使用过程中因材料泄漏所带来的潜在环境风险。

本研究工作受国家自然科学基金委、国家重点研发计划和中央高校基本科研业务费专项资金资助，且得到了香港浸会大学梁士贤教授团队、中科院高能物理研究所王黎明副研究员团队、同济大学盛闻超教授团队、中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所金山博士以及上海同步辐射光源BL14W1线站的大力支持。

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）：

In situ turning defects of exfoliated Ti₃C₂ MXene into Fenton-like catalytic active sites

Yue Jiang, Didar Baimanov, Shan Jin, Japhet Cheuk-Fung Law, Pengcheng Zhao, Juanjuan Tang, Jian Peng, Liming Wang, Kelvin Sze-Yin Leung, Wenchao Sheng, Sijie Lin

PNAS, 2022, DOI: 10.1073/pnas.2210211120

作者简介

姜越：同济大学环境科学与工程学院博士后，上海市优秀毕业生。研究方向：1）水污染控制与水净化；2）环境友好型催化材料设计合成及其性能机理研究。目前已发表SCI收录论文9篇，中文核心1篇，以第一作者身份在PNAS, Cell Reports Physical Science（Cell子刊）, Chinese Chemical Letters等高水平期刊上发表代表性论文，总影响因子累计77，总被引量209次。申请国内发明专利6项（授权4项）、实用新型专利1项（授权）、国际专利1项（公开实审）。以项目骨干身份参与国家重点研发计划项目1项，国家自然科学基金面上项目2项，企业合作转化项目1项。相关研究成果获得第十四届全国环境友好科技竞赛理念类国家级二等奖，入围第七届中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛全国总决赛。

林思劼：同济大学环境科学与工程学院教授，博士生导师，国家高层次人才，现任同济大学研究生院副院长，长江水环境教育部重点实验室副主任。主要研究领域：重点围绕纳米环境化学和毒理健康效应，环境功能材料的绿色合成与安全利用，人工智能赋能的高通量毒性分析方法开展基础研究工作。以第一/通讯作者在PNAS, Nature Commun., Adv. Mater., ACS Nano等国际权威期刊上发表代表性论文90余篇，总引超11000次，H因子48，入选爱思唯尔“中国高被引学者”榜单。参编英文专著3部，申请发明专利19项（授权9项），国际专利1项。任杂志Frontiers in Toxicology 副主编, NanoImpact,  Human and Experimental Toxicology 编委，The Innovation, Chinese Chemical Letters 青年编委。获上海市五四青年奖章等荣誉。

林思劼

https://www.x-mol.com/university/faculty/68633 

课题组网页

https://linlab.tongji.edu.cn/