环境学院李倩教授团队在环境功能材料开发和新型水处理高级氧化技术应用方面取得研究新进展

近期，山东大学环境学院李倩教授课题组在环境功能材料开发和新型水处理高级氧化技术应用方面取得系列新进展。相关成果先后发表于Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.（2024, 121, e2319427121）、AdvancedMaterials（2024, e202311869）、Environmental Science& Technology（2023, 57, 1882-1893,封面文章）、Water Research（2024, 251, 121119）、Journal of Hazardous Materials（2024, 469, 133889）、ACS ES&T Engineering（2024,10.1021/acsestengg.3c00466）等国际知名期刊上。

高级氧化工艺（如亚氯酸盐活化工艺和过硫酸盐高级氧化工艺）因其经济、高效的优势被广泛用于实际有机废水处理。其中，过渡金属氧化物催化亚氯酸盐活化工艺通过同步生成非均相高价金属物质和二氧化氯，能够实现有机污染物的选择性氧化。然而，非均相高价金属物质在化学形态和演化机制上与均相高价金属物质不同，却常被混为一谈。以高价钴物质为例，非均相Co(IV)=O由于钴中心的d电子与氧原子之间存在强烈的电子排斥作用而不稳定，限制了亚氯酸盐的持续活化。除此之外，具有高效性和较强环境适应性的非均相铁基催化剂也面临着类芬顿反应过程中Fe²⁺/Fe³⁺循环易受阻的难题，但额外引入助催化剂又会给反应体系的实际应用方便性和环境安全性带来了不利影响。针对以上问题，李倩教授课题组开发了钴金属氧化物、铁/钼双金属碳基材料等系列新型功能纳米材料的合成和应用策略，改善了多种氧化剂的活化效率，实现了有机污染废水的高效处理，为新型高级氧化工艺催化剂的设计与优化提供了新思路。

该课题组通过紫外诱导改性方法成功将光激发氧空位（OVs）引入Co₃O₄（OV-Co₃O₄）中，以促进亚氯酸盐（ClO₂^–）的活化过程。密度泛函理论计算表明，OVs导致低配位Co原子的产生，通过氧原子俘获作用可定向锚定ClO₂^–。首先，ClO₂^–经过O-Cl裂解，将解离的O原子转移到低配位的Co原子上，形成具有较高自旋态的≡Co(IV)=O；≡Co(IV)=O从ClO₂^–中提取一个电子生成二氧化氯（ClO₂），并伴随着Co原子返回较低的自旋状态。本工作提出了一种通过构筑光激发OVs作为氧原子俘获位点，以此来强化非均相高级氧化过程，并为通过缺陷工程调控≡Co(IV)=O的形成提供了新的见解。该工作发表在国际知名期刊Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.（IF=11.1；一区）上，山东大学为第一完成单位和通讯单位，博士研究生苏瑞典为第一作者。

此外该课题组针对铁循环易受阻、非均相催化剂制备条件复杂等类芬顿水污染控制技术中的常见难题，以负载有铁和钼金属离子的纤维素水凝胶为模板，设计合成了一种新型铁钼双金属碳基催化剂，实现了类芬顿反应中的有效铁循环。实验表明，具有“催化/助催化”性能的复合材料Fe_2.5Mo@CNs比等量铁碳基催化剂Fe@CNs具有更高的类芬顿活化性能和更强的适用性。此外，结合不同表征手段，实验验证和理论计算证明，Fe_2.5Mo@CNs催化剂中独特的Fe₃Mo₃N结构促进了过硫酸盐（PS）的吸附，降低了活性物种的产生能垒，进而实现了自由基（如SO₄·^-）和非自由基（如¹O₂和电子传递过程（ETP））的双重增强。这种一体化“催化/助催化”复合材料有望为类芬顿水污染治理提供新的促进策略。该工作发表在国际知名期刊AdvancedMaterials（IF=29.4；一区）上，山东大学为唯一完成单位，博士研究生刘震为第一作者。

上述研究得到国家自然科学基金委、山东省泰山学者基金和山东省科技创新重大专项等项目的资助。