氯化有机污染物广泛存在于水生环境中，威胁着人类健康。研究人员提出了消除此类污染物的催化方法，但降解速率缓慢，不完全脱氯和催化剂回收仍然极具挑战性。
2024年11月7日，香港大学汤初阳教授团队在Nature Communications期刊发表题为“Ultrafast complete dechlorination enabled by ferrous oxide/graphene oxide catalytic membranes via nanoconfinement advanced reduction”的研究论文，团队成员Xiao Qian为论文第一作者，暨南大学李万斌教授、汤初阳教授为论文共同通讯作者。
该研究展示了使用具有强纳米限域的氧化亚铁/氧化石墨烯（GO）催化膜进行高效脱氯。催化膜是由集成了超细和单分散性<5 nm纳米颗粒的氧化石墨烯纳米片通过简单的原位生长和过滤组装而成的。密度泛函理论DFT计算表明，纳米限域效应显著降低了铁(III)-亚硫酸盐配合物解离为亚硫酸盐自由基和二氯乙酸降解为一氯乙酸的限速步骤的能垒。该膜结合纳米限域效应，提高了催化剂对反应物的可及性并增加了催化剂-反应物比，实现了180 μg L−1二氯乙酸（DCAA）到氯化物的超快速和完全脱氯，在创纪录的3.9 ms内还原效率接近100%，一阶速率常数为51,000 min−1，比现有催化剂提高了6~7个数量级。同时，由于纳米颗粒调节了膜的结构、化学成分和层间空间，该膜的渗透率是氧化石墨烯膜的四倍，达到48.6 L m−2 h−1 bar−1。此外，该膜在20多个循环中表现出优异的稳定性和对环境浓度下的氯化有机污染物的通用性。
DOI：10.1038/s41467-024-54055-x
该研究报道了通过在GO纳米片上沉积超细FeO NPs构建催化膜，从而实现DCAA的高效脱氯。通过简单的原位生长，单分散的<5 nm FeO NPs可以沉积在GO的氧官能团上。与传统工艺（0.0013-33.3 min-1）相比，这项技术的一阶速率常数提高6~7个数量级，这可归因于反应物对催化位点的可接触性增强、反应区域中催化剂与反应物的比率提高，以及在FeSO3+解离成亚硫酸自由基和DCAA脱氯过程中由纳米限域效应引起的活化能降低。同时，Fe/GO膜的透水性是GO膜的四倍，达到48.6 L m-2 h-1 bar-1，这归功于FeO NPs对氧化程度、层间空间和膜结构的调节。此外，所制备的膜具有极佳的稳定性，可在20个循环周期内保持性能，而且在脱卤和减少其他HAAs（>97%）和氯化有机污染物（>90%）方面具有很强的通用性。
图1. Fe/GO纳米片的表征。(a) 典型GO纳米片的TEM图像。(b、c) 典型Fec1.5/GO纳米片的TEM图像。上图为纳米片上FeO纳米颗粒的TEM图像。(d)典型Fec1.5/GO纳米片的STEM图像。插图为电子衍射图。(e, f) Fec1.5/GO纳米片的EDS图谱。(g, h) GO和Fec1.5/GO纳米片的AFM图像。插图显示高度轮廓。(i) GO和Fec1.5/GO的Fe 2p XPS光谱。根据峰面积估算Fe（II）和Fe（III）的比例。(j) GO和Fec1.5/GO的XPS光谱。(k) GO和Fec1.5/GO的拉曼光谱。
总之，该研究构建了具有均匀FeO NPs的Fe/GO膜，并证明了其良好的脱氯性能。由于增强了反应物对催化位点的可接触性，增加了反应区域催化剂与反应物的比例，促进了FeSO3+对亚硫酸盐自由基的活化和DCAA向MCAA的转化，该膜对DCAA降解为氯化物的还原效率很高，一阶速率常数为51,000 min−1，比传统的催化体系高6~7个数量级。由于FeO NPs的生长对膜结构、化学成分和层间空间的调整，膜的渗透率为48.6 L m−2 h−1 bar−1，是氧化石墨烯的四倍。此外，Fe/GO膜表现出优异的稳定性，并在20次循环中保持其性能。研究人员进一步证明，该膜适用于环境相关浓度和各种卤化有机污染物。虽然可以通过调整化学成分、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来进一步提高效率，但基于纳米颗粒和二维纳米片设计催化膜的概念为实现高效脱卤和水处理的强纳米限域效应铺平了道路。
■密度泛函理论DFT计算：电荷密度、态密度DOS、能带、费米能级、功函数、ELF；介电常数、弹性模量、声子谱；吉布斯自由能、吸附能、掺杂能、缺陷形成能；HER、OER、ORR、NRR、CO2RR；反应路径、反应机理、迁移能垒等
■量子化学QC计算：静电势、偶极矩、布居数、轨道特性、自旋密度、Fukui函数；激发态、跃迁偶极矩；氢键、π-π堆积、疏水作用力；过渡态、反应能垒、反应机理；红外、拉曼、荧光、磷光、核磁谱、圆二色谱等
■分子动力学MD模拟：生物体系弱相互作用分析、受体-配体组装过程、结合自由能；材料体系的高分子构象预测、材料与溶液界面性质、粗粒化模拟；轨迹分析RMSD/RMSF、径向分布函数RDF、扩散、氢键数量；分子对接；同源建模；虚拟筛选、定量构效关系QSAR
■有限元FEM仿真：结构仿真（接触分析、非线性分析、振动/疲劳/传热/裂纹/碰撞分析）；电磁仿真（电场、磁场、电磁耦合、磁热耦合、射频微波）；流体仿真（多相流体、组分运输、流体传动、相变）；光学/声学仿真相关
