近日，Web of Science數據庫更新，88858cc永利官网張晖教授課題組和澳大利亞阿德萊德大學化學工程與先進材料學院Shaobin Wang課題組在綠色碳催化水處理領域的合作研究成果于2019年12月~2020年5月間連續在Environmental Science & Technology發表的3篇系列論文（第一作者為博士生任偉）全部入選高被引論文，其中2篇同時入選熱點論文。

這三篇研究論文分别從有機污染物、碳材料以及過硫酸鹽角度研究碳/過硫酸鹽體系氧化有機污染物的電子轉移過程的本質，為揭示碳活化過硫酸鹽的電子轉移過程和設計高活性碳材料提供新思路。

題為“Activation of Peroxydisulfate on Carbon Nanotubes: Electron-Transfer Mechanism”的論文提出了一種組合電化學分析方法用于研究碳活化過硫酸鹽體系的電子轉移過程。通過半波電位評價了12種酚類化合物的電化學性能，并将其與碳納米管活化過二硫酸鹽（PDS/CNT）體系中的動力學速率常數構建相關性。通過定量構效關系（QSARs）分析、電子順磁共振（EPR）技術和自由基清除實驗，揭示了碳活化過硫酸鹽體系非自由基電子轉移過程氧化酚類化合物的内在機制。采用簡易的電化學分析方法（開路電位法和計時電流法相結合技術）對PDS/CNT體系進行了機理研究，實驗結果發現PDS在CNT表面活化能形成具有氧化能力的CNT-PDS*複合體。所形成的複合體通過奪取電子的方式選擇性地氧化CNT表面共吸附的酚類化合物。通過PDS/CNT體系與石墨陽極氧化體系的對比可以發現PDS/CNT體系對酚類化合物的選擇性主要依賴于CNT-PDS*複合體氧化能力和酚類化合物的氧化電位（圖1）。

圖1. PDS/CNT體系中非自由基選擇性氧化酚類化合物機理圖

題為“Insights into the Electron-Transfer Regime of Peroxydisulfate Activation on Carbon Nanotubes: The Role of Oxygen Functional Groups”的論文旨在揭示碳活化過硫酸鹽體系中碳材料結構與有機物電子轉移速率的内在關系。通過高溫退火制備了一系列表面氧含量不同的碳納米管。猝滅實驗和開路電位結果表明，經過高溫退火後，PDS/CNT體系能強化電子轉移過程，進而提高苯酚的氧化速率。通過構建QSARs以及Tafel方程拟合，揭示了PDS/CNT體系中電子轉移過程氧化有機污染物的反應機制。首先，降低CNT表面含氧量能使其表面在中性溶液中的Zeta電位更正，從而促進PDS在CNT表面吸附，并形成更多的CNT-PDS*複合體。随後，複合體的形成提升了CNT的氧化還原電位使其具有一定的氧化能力。最後，苯酚在CNT表面通過電子轉移過程被CNT-PDS*氧化。其中，非自由基氧化速率與複合體電位呈指數關系，這是因為CNT-PDS*的非自由基氧化機理與陽極氧化的類似（圖2）。

圖2. PDS/CNT體系中表面含氧官能團對非自由基選擇性氧化作用機理圖

題為“The Intrinsic Nature of Persulfate Activation and N-Doping in Carbocatalysis”的論文緻力于說明CNT表面的氮元素對PMS和PDS活化有着本質上的區别。在PMS/N-CNT體系中，表面氮摻雜可以顯著地提高N-CNT對PMS的吸附量以及N-CNT的複合體電位，從而加速PMS/N-CNT體系的電子轉移過程，促進有機物的氧化。相比之下，在PDS/N-CNT體系中，氮摻雜不會影響CNT對PDS的吸附量：即與PDS/CNT體系相比，PDS/N-CNT對有機物的氧化速率均沒有明顯變化。當N-CNT對PDS和PMS的吸附量相等時，PDS/N-CNT表現出比PMS/N-CNT更強的氧化能力，這是因為PDS的标準還原電位高于PMS。此外，PDS/N-CNT和PMS/N-CNT體系的氧化速率與其複合體電位均具有很好的線性關系，說明N-CNT活化PMS和PDS對有機物的氧化具有相似的電子轉移機制（圖3）。

圖3. PMS/N-CNT和PDS/N-CNT體系氧化苯酚的非自由基機理圖

該研究得到了國家自然科學基金面上項目和國家公派留學基金的支持。

論文鍊接：

1. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.9b05475

2. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.9b06208

3. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.0c01161