近日，我系董文博教授課題組在Environmental Science & Technology期刊上發(fā)表題為“Synergizing Surface-Bound Radicals with Singlet Oxygen to Expedite Emerging Organic Contaminant Degradation in Soil-Based Heterogeneous Surface Oxidation”的研究型論文，這也是課題組本年度在該期刊發(fā)表的第二篇論文。本研究的結(jié)果表明相較于游離自由基，表面結(jié)合自由基具有更長的壽命和高選擇性，表面反應(yīng)通過減少反應(yīng)物的擴散距離來提高自由基的利用率，可以顯著增強反應(yīng)活性物種在土壤中的傳質(zhì)和新興有機污染物的降解。

近年來，土壤中包括藥物在內(nèi)的難降解新興有機污染物頻繁檢出，這已成為公眾廣泛關(guān)注的問題。基于過二硫酸鹽（PDS）的高級氧化工藝（AOPs）因其產(chǎn)生的反應(yīng)活性物種（ROS）具有高氧化還原電位而在有機污染物修復(fù)方面得到了廣泛研究。然而，復(fù)雜土壤環(huán)境中的非目標(biāo)背景基質(zhì)會對ROS無效消耗，從而極大地阻礙了目標(biāo)污染物的降解。此外，由于ROS極短的壽命使得其在土壤中的傳質(zhì)受限，導(dǎo)致氧化劑大量消耗。本研究發(fā)現(xiàn)利用非均相表面氧化可解決這一問題。

此項研究開發(fā)了一種結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的非均相催化劑FeS，FeS對PDS具有出色的活化能力，可快速去除土壤中的卡馬西平，同時具有很強的抗性和良好的pH耐受性。此外，相較于其他活化方式降解土壤中的有機污染物，本研究以較低的氧化劑需求就可達到高效去除土壤中有機污染物的目的。

圖1 FeS/PDS體系降解土壤中CBZ的效果

論文通過淬滅實驗、EPR分析、化學(xué)探針檢測、穩(wěn)態(tài)熒光光譜法、激光閃光光解-瞬態(tài)吸收光譜和共聚焦熒光顯微鏡等手段共同證實FeS/PDS體系可產(chǎn)生表面結(jié)合SO₄^??自由基，其具有更長的壽命，可有效減弱自淬滅且選擇性的降解土壤中的CBZ，這種方法通過提供持久的ROS，顯著增強了實際土壤修復(fù)效果。

圖2 FeS/PDS體系中ROS的鑒定 

本研究提出FeS可與土壤表面通過靜電相互作用和疏水作用力結(jié)合，在土壤表面由FeS活化的PDS會原位生成表面結(jié)合SO₄^??自由基和單線態(tài)氧，直接對土壤中的CBZ進行氧化降解。這種方式可減少ROS的傳質(zhì)距離，減弱自淬滅，防止土壤背景基質(zhì)的過度消耗，增強ROS利用率。非均相表面氧化表現(xiàn)出比均相體系更強的氧化能力、電子轉(zhuǎn)移和傳質(zhì)效率，這是土壤中有機污染物降解增強的主要原因。

圖5 ROS在土壤中的傳質(zhì)過程

研究結(jié)果表明FeS可以有效活化PDS降解土壤中的CBZ，且反應(yīng)過程中對土壤pH影響較小，在不同類型的土壤中均具有良好的抗性和催化穩(wěn)定性。FeS/PDS體系能夠連續(xù)生成表面結(jié)合的SO₄^??和¹O₂，激光閃光光解和熒光光譜證實了表面結(jié)合的SO₄^??比游離SO₄^??具有更長的壽命。這種非均相表面氧化能夠?qū)⒎磻?yīng)活性物種定位在污染物附近，減少遷移距離，并抑制ROS的自淬滅。同時FeS/PDS體系是一個溫和的氧化工藝，對土壤基質(zhì)的影響幾乎可以忽略不計。總體而言，本研究為類芬頓非均相催化劑在有機污染土壤修復(fù)中的開發(fā)和有效應(yīng)用提供了一個全面的認識。

論文第一作者為我系博士研究生王琦，董文博教授為通訊作者，研究合作者包括上海第二工業(yè)大學(xué)吳彥霖副教授等。

論文信息：Qi Wang, Yanlin Wu, Yuang Shan, et al. Synergizing Surface-Bound Radicals with Singlet Oxygen to Expedite Emerging Organic Contaminant Degradation in Soil-Based Heterogeneous Surface Oxidation. Environmental Science & Technology, 2025.

論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.est.5c04418

 供稿：董文博教授團隊

審核：張立武