赵国华、赵红颖团队在分子氧选择性电催化还原产生羟基自由基方面取得重要进展

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近日，化学领域国际著名期刊《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）刊登了我院赵国华教授、赵红颖团队的研究成果，题为：“Selective electrocatalytic reduction of oxygen to hydroxyl radicals via 3-electron pathway with FeCo alloy encapsulated carbon aerogel for fast and complete removing pollutants”（Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 2-11）。该研究工作提出以分子氧为绿色氧化剂，3电子选择性电催化还原原位产生羟基自由基，可用于环境污染物的快速、高效去除，突破了传统芬顿方法中以过氧化氢为氧化剂的经典反应概念，无需投加过氧化氢和铁盐试剂，为绿色、高效水处理技术提供一种崭新的方法。

       发展绿色、高效的水污染控制新技术一直是水环境污染治理的研究热点，直接影响着水资源的生态安全和人类健康。芬顿反应作为一种环境友好的高级氧化技术（AOPs），操作简单，能高效产生活性氧物种羟基自由基（∙OH），具有氧化能力强，矿化效率高等优点，在环境水污染控制领域受到了研究者们的广泛关注。然而，传统芬顿反应中∙OH的产生受限于Fe(II)/Fe(III)循环反应速率慢的限制，pH适用范围窄，是当前在实际水处理中亟待解决的关键瓶颈。
       分子氧是自然界中最为丰富、廉价易得和清洁的氧化剂。然而，分子氧在常温常压下，却非常稳定，无法直接用于有机污染的降解。这是因为分子氧是三线态分子，与单线态有机污染物的反应是禁阻的，必须经过催化活化才能用作氧化剂。因此，如何以分子氧为氧化剂，为进一步发展绿色、高效的∙OH产生方法，克服经典芬顿反应中的瓶颈问题，是提升芬顿等高级氧化技术升级的前沿发展方向和重要科学问题，也是目前环境领域的研究热点。
         赵国华教授、赵红颖教授团队在研究工作中，提出了电催化还原分子氧产生∙OH的新方法。构筑具有碳层包覆合金结构的一体化铁钴碳气凝胶（FeCoC）阴极，该电极具有高比表面积、高空间利用率、高导电性、且易直接成型等优异电化学性能。研究表明，电催化还原分子氧的活性位点位于石墨碳层表面，首先发生两电子电催化氧还原产生H2O2，进而H2O2单电子电催化还原产生∙OH。通过原位气压测试验证了整个分子氧还原为电化学过程，表观电子转移数为3.1。不同于传统芬顿反应，整个分子氧还原为电催化过程，电催化活性位点在石墨碳层表面，铁钴合金被保护在碳层内部，不仅避免与外界溶液接触反应，无金属离子溶出，不产生铁泥；还克服了传统芬顿反应Fe(II)/Fe(III)价态循环慢的速率控制。在。将该电催化还原分子氧能在宽pH（3-11）范围保持HO•的高产生效率。将该方法应用于有机污染物的降解，5 min内可完全降解污染物，且电极循环稳定性优异，具有良好的应用前景。同时，通过X射线吸收近边结构光谱、近边X射线吸收精细结构光谱、电子顺磁共振波谱、原位气压法、线性扫描伏安法以及密度泛函理论计算对电催化还原分子氧选择性产生∙OH的分子机理进行了深入探究。该工作提出的界面电子调控选择性电催化还原分子氧产生∙OH理论体系，为有毒有害有机污染物的绿色、高效氧化降解新方法的研究和应用提供了重要的理论基础，拓展了环境水处理技术。
       赵国华教授、赵红颖教授为通讯作者，第一作者为我院硕士研究生肖凡。相关研究工作获得了国家自然科学基金重点项目和面上项目的资助。
       论文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202101804


       文章来源：同济大学
       赵国华，男，同济大学化学科学与工程学院教授、博士生导师，上海电力学院特聘教授。先后担任同济大学化学系系主任、化学系党委书记、理学部党委书记、理学部副主任等职务，兼任化学系学术委员会主任、同济大学理学专业委员会副主任、上海市学位委员会学科评委组委员等学术工作，化学一级学科博士后流动站站长，上海市化学品分析、风险评估与控制重点实验室学术委员会副主任，以及中国电化学委员会委员，中国有机电化学和工业联合会常务理事等。作为同济大学环境化学学科带头人，致力于环境光电化学新材料、新方法和原理的研究，建立了原位光电化学-红外光谱、原位光电化学-拉曼光谱、原位光电化学-顺磁共振波谱等先进研究手段，取得了一系列有创新性的研究成果。主持承担了1项国家自然科学基金重点项目、6项国家自然科学基金面上项目和1项国家863项目，以及多项上海市科委重点项目等。以通讯作者和第一作者在国际学术期刊上共发表SCI收录论文160余篇，其中一区论文近70篇，包括Energy  & Environmental Science、Environmental Science &  Technology、Biomaterials、Applied Catalysis B: Environmental、Chemical  communications等高质量论文。H因子32，他人引用近3200次。应邀在AIChE、全国环境化学、全国电化学等国内外学术会议上作主题报告和特邀报告。获得授权国家发明专利四十余项。