近期，中国科学技术大学环境科学与工程系在类酶电芬顿催化剂的研发及调控机制方面取得新进展。通过简便的溶胶-凝胶工艺制备了绿色、高效、可调控的类酶电芬顿催化剂，揭示了Fe-N配位环境中的氢键作用强化Fe位点还原活性的调控机制。研究成果以“Tuning Fe₃O₄ for sustainable cathodic heterogeneous electro-Fenton catalysis by acetylated chitosan”为题，于2023年3月24日发表于Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (doi: 10.1073/pnas.2213480120)。

非均相电芬顿法是极具发展前景的水处理技术，但其催化剂中Fe还原的调控机制仍不清晰，且制备时需要昂贵的前体和高的能耗，导致该技术走向实际应用过程中仍存在较大困难。针对上述挑战，本文通过简便的溶胶-凝胶工艺制备了酰胺化壳聚糖基水凝胶包裹的纳米Fe₃O₄颗粒催化剂，基于Fe₃O₄的类过氧化物酶特性，精细调控了酰胺基侧链长度，进而优化了Fe₃O₄的配位环境，获得了高效的类酶电芬顿催化剂。量子化学计算表明，丙酸酰胺化壳聚糖中长侧链引入的氢键作用增加了壳聚糖与Fe₃O₄之间Fe-N键的结合强度，最终强化了Fe₃O₄表面Fe位点的还原活性。此外，生命周期评价结果表明，基于壳聚糖和Fe₃O₄的非均相电芬顿技术还具有成本低廉、催化剂制备简便等优势，有望克服传统电芬顿工艺难以规模化的关键问题。这项工作为绿色、高效和可持续的非均相电芬顿催化剂的合理设计提供了新思路。

该研究工作得到了国家自然科学基金的资助，同时也感谢合肥同步辐射实验室BL10B线站和中科大超算中心支持。

图 壳聚糖酰胺键侧链引入的氢键作用加强Fe-N键强度调控Fe3O4表面Fe还原机制

论文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2213480120