近日，我校王蘭教授團隊在Cell Press細胞出版社旗下期刊《Chem Catalysis》上發表了題為“Spatially asymmetric catalyst design with electron-rich Cu sites to facilitate full-spectrum photo-Fenton-like catalysis”的研究論文。
水中難降解有機物對人體健康和生態環境有較大危害，發展穩定、高效的水處理技術具有重要意義。芬頓（Fenton）法作為一種典型的高級氧化工藝，由于其產生的羥基自由基（?OH）具有較高的氧化活性，被認為是最實用的水處理技術之一。相較于傳統的鐵基Fenton反應，非均相Cu基類芬頓反應中Cu(Ⅰ)對H2O2的活化速率比Fe(Ⅱ)對H2O2的活化更快，因此在氧化分解有機物方面具有較大優勢。然而，從Cu(Ⅱ)到Cu(Ⅰ)的緩慢轉化仍然是Cu基類芬頓反應的限速步驟。太陽能驅動的Cu基非均相光芬頓技術能有效耦合光催化和芬頓反應，且光催化產生的光生電子可以加速Cu(Ⅱ)還原為Cu(Ⅰ)，促進H2O2分解轉化為?OH，這對于解決Cu(II)/Cu(I)循環這一問題至關重要。此外，光生電子的定向傳遞和理想的富電子微環境也是光芬頓催化活化H2O2的關鍵問題。
為了克服上述挑戰，陜西科技大學王蘭教授團隊提出了一種非對稱結構設計策略，構建了Janus硅酸銅納米管（CSN）并誘導產生了富電子Cu(Ⅰ)和氧空位缺陷（Vo）位點，實現了有效的全光譜驅動光芬頓催化。該研究發現，Vo和CuO6八面體結構的共存使得CSN獲得了優異的全光譜光響應能力；不對稱結構所產生的固有內建電場極大地促進了光生載流子的空間分離和光生電子的定向轉移；Cu(Ⅰ)位點附近的Vo充當電子陷阱位點，將光生電子富集到其鄰近的Cu位點，加速了Cu(Ⅱ)/Cu(Ⅰ)的氧化還原循環，這充分利用了光激發電子“自我補充”來補償Cu(Ⅰ)位點的給電子能力并實現了H2O2的持續活化。
理論計算表明，CSN中Cu原子的d帶中心比不含氧空位的CSN的d帶中心更接近費米能級，證實了富集電子的Cu位點存在強烈的電子離域；Cu(Ⅰ)位點的強電子離域增強了相鄰橋接H位點對H2O2的吸附，而Vo缺陷結構極大地降低了H2O2均裂的自由能（0.912 eV至0.264 eV），從而協同提高了H2O2的利用率（54%，幾乎是常規催化劑的2倍）。最終，全光譜輻照下的CSN光芬頓體系實現了對多種難降解污染物的有效去除（均大于95%）；在180 min內對實際印染廢水（3905 mg/L）的COD去除率達到54%，體現了其在實際廢水深度處理中的應用潛力。這項工作不僅為全光譜響應催化材料的設計提供了新的思路，也為光芬頓催化氧化技術在水體凈化中的實際應用提供了理論支持。
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.checat.2025.101358
（核稿：陳慶彩 編輯：趙誠）
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