转自：环境催化
本文是一篇发表在《自然通讯》（Nature Communications）上的科学研究论文，题为“Ultrafast complete dechlorination enabled by ferrous oxide/graphene oxide catalytic membranes via nanoconfinement advanced reduction”。该研究由Qian Xiao、Wanbin Li、Shujie Xie、Li Wang和Chuyang Y. Tang等人共同完成，探讨了一种新型的铁氧化物/氧化石墨烯（FeO/GO）催化膜，该膜能够通过纳米限域效应实现水中氯代有机污染物的快速完全脱氯。
研究背景与意义
氯代有机污染物广泛存在于水环境中，对人类健康构成威胁。传统的催化方法在消除这些污染物时面临降解速度慢、脱氯不完全和催化剂回收困难等问题。本研究提出的FeO/GO催化膜，通过简单的原位生长和过滤组装方法构建，能够有效解决上述挑战。
FeO/GO催化膜的制备与特性
FeO/GO催化膜是通过将氧化石墨烯（GO）纳米片与亚5纳米的单分散FeO纳米颗粒结合而成。通过密度泛函理论（DFT）模拟显示，纳米限域效应显著降低了铁(III)硫酸盐复合物解离为硫酸根自由基和二氯乙酸降解为单氯乙酸的速率限制步骤的能量障碍。这种膜材料在180 µg L−1的二氯乙酸脱氯为氯离子的过程中，实现了几乎100%的还原效率，并且在3.9毫秒内完成了反应，比当前催化技术快6到7个数量级，具有51,000 min−1的一级速率常数。
性能测试与结果
FeO/GO膜的性能测试表明，其对二氯乙酸的降解效率极高，能够在极短的时间内实现几乎完全的脱氯。此外，该膜材料还展现出了优异的稳定性，能够在20个循环中保持性能不变，并且对环境浓度下的氯代有机污染物具有普遍性。
纳米限域效应的机制
研究者们提出了三个主要原因来解释FeO/GO膜的超高还原效率。首先，纳米限域效应增强了反应物与催化剂的接触。其次，纳米限域效应增加了催化剂与反应物的比例。最后，纳米限域效应显著降低了能量障碍，促进了污染物的去除。
分子动力学模拟与理论计算
通过分子动力学模拟和DFT计算，研究者们进一步探讨了水分子在GO和Fe/GO膜间层空间的扩散过程，以及S(IV)在Fe/GO和FeO上的活化过程。模拟结果表明，Fe/GO膜中的水分子扩散常数大于GO，这归因于FeO纳米颗粒的插入扩大了层间距，降低了水分子在其间的摩擦。
环境应用与普遍性
FeO/GO膜不仅对二氯乙酸有极高的降解效率，还能够广泛适用于其他卤代有机污染物的降解，包括卤代乙酸和氯代有机污染物。这些结果证明了FeO/GO膜在实际水处理中的潜在应用价值。
结论与展望
本研究成功构建了具有均匀FeO纳米颗粒的Fe/GO膜，并证明了其在脱氯方面的卓越性能。由于增强的反应物与催化位点的接触、增加的催化区域催化剂与反应物比例以及促进的FeSO3+向硫酸根自由基的转化和DCAA向MCAA的转化，膜表现出极高的还原效率，一级速率常数达到51,000 min−1，比传统催化系统高6到7个数量级。通过FeO纳米颗粒的生长调整膜结构、化学组成和层间距，膜的水渗透率达到48.6 L m−2 h−1 bar−1，是GO的四倍。此外，Fe/GO膜显示出优异的稳定性，在20个循环中保持性能。研究还证明了膜对环境相关浓度和广泛卤代有机污染物的适用性。尽管效率可能通过调整化学组成、控制纳米颗粒和膜结构以及应用其他类型的纳米片和纳米颗粒进一步提高，但基于纳米颗粒和二维纳米片设计催化膜的概念为实现强纳米限域效应以高效脱卤和水处理铺平了道路。
研究贡献与影响
该研究不仅提供了一种高效的水处理技术，而且为纳米限域效应在催化反应中的应用提供了新的见解。FeO/GO催化膜的设计理念可能会启发未来水处理技术的发展，特别是在快速降解有机污染物和提高水处理效率方面。
研究方法与技术
文章详细描述了Fe/GO催化膜的制备方法、材料表征、性能测试以及理论计算和模拟的方法。这些方法包括透射电子显微镜（TEM）、扫描透射电子显微镜（STEM）、原子力显微镜（AFM）、X射线光电子能谱（XPS）、X射线衍射（XRD）、拉曼光谱、动态水接触角测量、离子色谱法、气相色谱法、电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）和电子顺磁共振（EPR）等技术。此外，还使用了分子动力学模拟和密度泛函理论计算来探究水分子在膜中的扩散行为和S(IV)的活化机制。
未来研究方向
尽管FeO/GO催化膜在实验室条件下表现出色，但其在实际水处理环境中的应用还需要进一步的研究。未来的研究可以集中在提高膜的耐久性、扩大膜的适用范围、降低成本以及优化膜的制备工艺等方面。此外，对于纳米限域效应在其他类型的催化反应中的应用也是一个值得探索的领域。
综上所述，这项研究不仅在科学上具有创新性，而且在实际应用中具有潜在的巨大价值。通过深入理解纳米限域效应在催化反应中的作用，我们可以期待开发出更多高效、环保的水处理技术，以应对全球水资源污染的挑战。
https://doi.org/10.1038/s41467-024-54055-x
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