DOI：10.1016/j.cej.2024.152170
2024年5月，Chemical Engineering Journal在线发表了武汉纺织大学李东亚教授团队在FeMOFs的限域效应增强有机污染物聚合领域的最新研究成果。该工作报道了一种限域效应增强有机污染物聚合用于水净化。随着工业化进程的加速，废水中新兴污染物（ECs）因其结构稳定性、生物毒性、环境持久性和生物累积性，成为全球污染控制的重要挑战。传统的高级氧化过程（AOPs）虽能有效降解污染物，但氧化降解过程中消耗大量氧化剂并产生碳排放，与节能减排的目标相悖。近年来，研究者发现污染物聚合与转化途径不仅能避免碳排放，还可能实现污染物的资源化利用，为废水处理领域带来了新的研究思路。本研究旨在探索一种基于金属有机骨架（MOFs）催化剂与过硫酸盐（PS）结合的光催化体系，利用可见光（Vis）驱动实现新兴污染物的限域聚合与降解，为废水处理提供新的解决方案。![]()
图 1.（a） g-ZIF-62和g-ZIF-62@8配合物的制备工艺和机理示意图;（b） g-ZIF-62@8/4 和 （c） g-ZIF-62 的 SEM;（d） g-ZIF-62@8/4 的透射电镜;（e） g-ZIF-62@8/4 的 HR-TEM。
图1为g-ZIF-62@8的合成示意图和电镜图，表明了合成机理和形貌。![]()
图 2.（a） ZIF-62、g-ZIF-62和g-ZIF-62@8的XRD;（b 和 c）g-ZIF-62@8的BET和孔径分布;（d） g-ZIF-62、g-ZIF-8和g-ZIF-62@8的傅里叶变换红外光谱;（e） 2D-FTIR-COS 的同步和 （f） 异步光谱。图2为结构表征图，显示了g-ZIF-62@8由ZIF-62 glass和ZIF-8组成。图 3.（a） g-ZIF-62、g-ZIF-8 和 g-ZIF-62@8 的 XPS C1s、（b） XPS N1s、（c） XPS Fe2p;（d） Fe-N处的差分电荷密度在密闭结构中。图3显示了g-ZIF-62@8的电子相互作用和限域结构。图 4.（a）动力学反应速率常数;（b）自由基抑制实验;（c）Fe（IV.） = O浓度的比较分析;（d） g-ZIF-62@8/PS/BPA/Vis中苯氧自由基的EPR;（e） BPA聚合途径。
图4显示了g-ZIF-62@8催化PS去除BPA的效果、活性物种和污染物聚合途径。图 5.（a） 温度对反应动力学速率常数的影响;（b）动力学模型;（c-F） 围离和非围离结构对PS的吸附模拟和吸附能图5显示了温度和吸附能的分析结果，表明了限域效应对催化反应的增强效果。 图 6.（a） EIS，（b） PL，（c） g-ZIF-62、g-ZIF-8 和 g-ZIF-62@8 的紫外-可见光;（d）光强对动力学反应速率常数的影响;（e） g-ZIF-62@8的XPS Fe2p;（f）约束效应下PS分解的差分电荷密度。图6显示了对反应机理的表征分析和模拟计算，研究了限域效应的增强机理。图 7.g-ZIF-62@8反应后分析的2D-FTIR-COS（A）同步和（b）异步光谱;（c） BPA中g-ZIF-62、g-ZIF-8和g-ZIF-62@8的tafel斜率;（d） 分析BPA和BIM之间的相互作用。图7显示了对反应机理的表征分析，表明了BPA在催化剂上反应的过程。图 8.（a）受限结构对反应途径能的影响;（b） g-ZIF-62、g-ZIF-8和g-ZIF-62@8的质子电导率;（c）可能的反应机理。图8显示了限域效应增强催化反应的能垒和表征分析，证实了限域效应增强质子和反应热力学的增益效果，并推测了可能的反应机理。本研究通过构建基于MOFs（金属-有机框架）的玻璃复合物（g-ZIF-62@8）平台，利用纳米孔的约束效应显著增强了质子耦合电子转移（PCET）反应，进而促进了有机污染物的聚合。g-ZIF-62的约束作用促进了质子从g-ZIF-62向g-ZIF-8的溢出，与Fe（IV）=O提取BPA（双酚A）中的氢的PCET过程协同作用。同时，g-ZIF-62和g-ZIF-8的相互作用形成的界面电场（IEF）促进了光生载流子迁移和界面质子转移，进一步加强了PCET过程。这种增强的质子转移过程有效地将污染物降解途径转变为以PCET为主的污染物聚合途径，为实现废水的低碳净化和有机碳回收提供了新途径。 本研究展示了MOFs玻璃在促进质子耦合电子转移反应和有机污染物聚合中的独特优势。通过g-ZIF-62的纳米孔约束效应和界面电场的作用，我们成功实现了质子转移和电子转移的增强，进而推动了有机污染物的聚合反应。这一发现不仅为MOFs玻璃在净水技术中的应用提供了新的视角，也为PCET过程的调控提供了新思路。更重要的是，通过污染物的聚合途径，我们能够实现废水的低碳净化和有机碳的回收，为水处理领域带来了新的可能性。尽管目前该研究尚处于起步阶段，但其在促进碳中和和减少环境污染方面的潜力不容小觑。未来的研究应进一步深入探索污染物聚合的基础理论，尤其是以PCET为核心的反应机理，并推动实验室级研究成果向实际应用转化，为废水处理技术的创新和发展贡献力量。李东亚教授。2015年入职武汉纺织大学，现为环境工程学院环境工程专业教授，硕士生导师，入选湖北省“楚天学者”计划。主要从事水体污染控制理论与修复技术，集中于工业废水深度处理及资源化的技术推广应用相关研究；基于已有研究成果，形成的“高浓有毒有机废水深度处理技术”等具有自主知识产权的新技术、新装备，已在全国多个省(区)的10多家企业应用。近年来主持中央支持地方科技发展专项、湖北省自然科学基金等项目多项。至今已在J Mater Chem A、Chem Eng J、Carbon等国际知名期刊上发表SCI论文70余篇，授权国家发明专利10余项。
https://www.x-mol.com/groups/li_dongya.Zuo S, Ding Y, Cheng H, et al. Confinement effect of FeMOFs glass enhances the proton coupled electron transfer reaction for the organic pollutants polymerization toward sustainable water purification[J]. Chemical Engineering Journal, 2024: 152170.
https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.152170北京泊菲莱科技有限公司创立于2006年，是集研发、生产、销售、服务于一体的国家级高新技术企业，致力于开发智能化、高精度、高性能的高科技设备企业。泊菲莱科技拥有多种自主知识产权，现已应用于新能源、药物合成、精细化工等各类科研领域，在立足于国内市场的同时，多款产品也远销海外。泊菲莱科技荣获国家级高新技术企业、中关村高新技术企业、北京市“专精特新”企业等称号，企业通过ISO9001质量管理体系认证，符合GB/T27922-2011《商品售后服务评价体系》五星级标准。泊菲莱科技不仅拥有雄厚的研发实力，也一直秉持着“以客户为中心”的服务理念和“创见、实干、卓越”的企业精神，作为科技型高新企业，积极创导高科技智能设备等尖端科技，不断革新，不断挑战，以卓越创新的进取精神，推动自身的不断成长和壮大。
