近期，中国科学技术大学环境科学与工程系与德国马克斯普朗克胶体与界面研究所合作，在类芬顿反应中过氧化物活化新机制研究方面取得新进展。针对传统过渡金属氧化还原循环受限与催化剂失活这一瓶颈，研究团队创新性地提出通过压缩应变工程将钴单原子限域在TiO2纳米管内部，构建非氧化还原电子中继的新策略，实现了对常见过氧化物的高效稳定活化。研究成果以“Nonredox Electron Relay via Strain-Engineered Cobalt Sites Confined in TiO2 Nanotubes for Superior Peroxide Activation”为题，近期发表于Environmental Science & Technology。

在基于过氧化物的类芬顿水处理工艺中，过渡金属催化剂的氧化还原循环是产生活性氧物种的核心，但该过程常受限于缓慢的价态转换动力学，且金属价态失稳易导致催化剂失活。针对上述挑战，研究团队将钴单原子精准锚定在TiO2纳米管内部，利用TiO2晶格对限域钴原子施加的轴向压缩应变，调控钴位点的电子结构。研究发现，压缩应变显著提升了限域钴原子的d带中心，增强了对过氧化物分子的吸附能力，并促进光生电子从TiO2基底通过钴位点直接向过氧化物转移，对过氧单硫酸盐、过氧二硫酸盐和过氧化氢均展现出高效稳定的活化性能。该非氧化还原活化机制绕过了传统的Co(II)/Co(III)氧化还原循环，缓解了钴单原子价态失稳难题。同时，纳米管的物理限域效应赋予了催化剂独特的分子筛分能力，可有效排除水体中大分子干扰物并富集目标污染物，显著提升了反应的选择性和抗干扰能力。研究团队进一步将该催化剂规模化应用于3D打印的整体式流动反应器，在处理实际废水时实现了连续1000小时的高效稳定运行，且在整个过程中未检测到钴离子泄漏，证实了该催化体系良好的实际应用潜力。

图 钛管限域钴原子催化类芬顿反应机制示意图

该研究工作得到了国家自然科学基金项目的支持，同时也感谢合肥同步辐射实验室和中国科大超算中心的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.est.6c00051