近期，中国科学技术大学环境科学与工程系在基于表面催化氧化偶联和聚合的直接氧化转移水处理技术（DOTP）方面取得新进展，以“Metal oxyhalide-based heterogeneous catalytic water purification with ultralow H2O2 consumption”为题，探讨了物化水处理中H2O2高效利用的方法，发表于Nature Water。

过氧化氢（双氧水，H2O2）作为一种绿色氧化剂在环境修复等领域中受到了广泛关注，但H2O2分子本身的惰性限制了其氧化能力的发挥。芬顿反应利用Fe2+的催化作用，激活H2O2产生高活性的氧化物种，如自由基，增强了H2O2的氧化能力，使其能够降解矿化水中的有机污染物。目前芬顿技术在应用中普遍存在H2O2过量使用、Fe2+持续投加、以及铁泥大量产生等问题。非均相（类）芬顿技术使用固体催化剂代替均相铁离子，在pH范围、催化剂回收和循环利用等方面具有优势，然而现有的催化剂普遍效率有限。为此，研究者们探索了多种策略提高固体催化剂催化H2O2的效率，包括构筑双中心活性位点（如CN@CuAlO2）、引入还原性的组分或单原子（如Fe@Fe2O3、Cu-C3N4）、使用纳米限域或缺陷工程（如Fe2O3@CNT、TiOX@C）等，但都仍需使用高剂量的H2O2。为解决这一问题，该工作从催化剂结构和反应路径这两方面同时入手，跳出之前芬顿-高级氧化技术的框架，首先借助于MOX型催化剂表面O桥联的M和X位点，分别近邻活化污染物和H2O2，使之可以精准反应，在提高催化效率的同时，大大降低了H2O2的用量；其次利用与此前芬顿反应的降解矿化路径完全不同的偶联聚合路径-DOTP，将污染物从水中转移富集至固体表面，这种污染物的聚合富集去除方式所需的氧化剂用量远少于此前的分解矿化方法（DOTP的偶联聚合：2 PhOH → polymerization products/coupling products + 2 e−；高级氧化AOP的分解矿化：1 PhOH → 6 CO2 + 3 H2O (small molecular products) + 28 e−）。因此可以在反应中实现超低的H2O2用量，比文献中报道的数值低1~3个量级。

图 MOX/H2O2类芬顿技术的催化剂表面位点协同作用

该工作得到了国家自然科学基金、科技部重点研发计划、中科院城市污染物转化重点实验室联合基金、校青年创新重点基金等项目的支持。

论文连接：https://www.nature.com/articles/s44221-024-00281-y