2019年5月22日
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PNAS论文报道潘丙才教授课题组在纳米水处理技术及原理方面的研究新进展

通过将纳米材料固定化制备具有限域结构的复合材料是克服其易团聚失活、难操作、潜在环境风险等规模化水处理应用瓶颈最为有效的策略之一,研究限域条件下纳米材料对污染物的去除转化机制对于推动纳米水处理化学与技术的发展具有重要意义,但目前这一方向的研究还未得到充分关注。

潘丙才教授课题组长期从事水处理纳米技术及原理方向的研究。近年来,课题组发明了系列以交联聚苯乙烯网孔限域为核心的毫米尺寸复合纳米材料,并成功用于水中重金属、砷、磷、氟、硒等特征污染物的深度处理。在相关技术创新成果获得国家技术发明二等奖、全球最大的水处理技术挑战赛George Barley Water Prize (First Runner-up)、中国专利优秀奖等奖励的同时,课题组高度重视应用基础研究对技术创新的支撑作用。近年来,课题组先后发现该类纳米复合材料去除污染物的一些特殊现象,如纳米颗粒表面电性逆转(Environmental Science & Technology 2014, 48, 5101)、晶体结构可逆化再生(Environmental Science & Technology 2016, 50, 1447)、多过程分区结晶(Environmental Science & Technology 2019, 53, 365)等,这些发现也支撑了多项创新技术的产生。

近期,课题组以经典的类Fenton催化体系为研究对象,选用多壁碳纳米管(CNT,内径~7 nm)为Fe2O3 (~2 nm)的模板载体,分别制备出管内与管外负载Fe2O3的复合催化剂Fe2O3@CNT与Fe2O3/CNT,比较研究了两种催化剂介导的类Fenton反应降解有机污染物的性能与机制。研究发现,Fe2O3/CNT-H2O2类芬顿体系降解有机污染物的活性物种为经典的羟基自由基(.OH),而Fe2O3@CNT-H2O2产生的活性物种仅为单线态氧(1O2),且相同条件下后者对亚甲基蓝的降解速率是前者的22.5倍。不仅如此,在pH值5-9的范围内,Fe2O3@CNT-H2O2均可保持高效稳定的污染物降解性能,这有望拓展类芬顿催化剂在碱性条件下的应用;另外,限域催化体系可选择性氧化易被吸附的有机污染物,氧化速率与吸附亲和力成线性关系。作者推测,碳纳米管的限域结构从动力学与热力学两方面影响了Fenton催化的反应路径。这项工作有望为限域条件下环境纳米新技术的发展提供重要参考。

图1 纳米限域条件下单线态氧介导的类芬顿反应降解有机污染物示意图

研究成果以“Singlet Oxygen Mediated Iron-based Fenton-like Catalysis under Nanoconfinement”(纳米限域下单线态氧介导的铁基类芬顿催化)为题,于2019年3月14日在线发表于《美国国家科学院院刊》(Proceedings of National Academy of Sciences of the United States of America),论文链接为:https://doi.org/10.1073/pnas.1819382116。论文第一作者为环境学院博士生杨志超,通讯作者为潘丙才教授,南京理工大学钱杰书教授、南京大学环境学院硕士研究生喻安晴为共同作者。大连化物所潘秀莲研究员、现代工学院王鹏教授对本研究相关材料的制备与表征给予了指导帮助。本研究得到了国家自然科学基金与国家重点研发计划纳米专项的资助。

(环境学院 科学技术处)