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顶刊收割机 · 公众号 · · 2024-12-29 08:18

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研究概述

高活性自由基物种，如羟基自由基(HO•)和硫酸根自由基(SO ₄ ^•− )，具有将广泛的有机污染物完全氧化成CO ₂ 和H ₂ O的能力，有望用于环境修复。Fenton和类Fenton反应是生产ROS的有效方法。

但是，由于固有的动力学和热力学约束的体相反应，限制了高浓度ROS生产。为了克服体积相的限制，利用微泡提供的空气-水界面可以显著加速某些Fenton反应。以前的研究强调了在微泡的空气-水界面产生的ROS的潜力，并表明这些物种可能在环境矫正应用中发挥关键作用。

然而，界面活性氧物种是否确实在微泡表面产生，以及这些物种的化学行为，仍然不清楚。此外，两个关键的挑战阻碍了这一领域的进展：首先，在本体溶液相内的动态瞬态微泡界面直接探测活性氧的产生及其相关的化学特性存在固有的困难；其次，由于这些反应物最初主要存在于微泡引入之前的溶液中，因此过氧化物(如H ₂ O ₂ 或PMS)从体相传输到微泡表面是有限的。

近日， 新疆大学黄海保 课题组开发了一种两亲性单原子催化剂(Co@SCN)，在微泡表面触发类Fenton反应(Co@SCN-PMS)。实验结果表明，Co@SCN可以稳定地附着在微泡表面，并有效地将关键氧化剂PMS从本体溶液穿梭到微泡表面。

这反过来又触发了一个快速的类Fenton反应，在微气泡表面产生高浓度的SO ₄ ^•− (~10 ^-11 M)，是本体中的20倍。研究人员将这种增强的反应性归因于微泡界面处的强内在电场，它促进了单个Co中心与PMS之间的单电子转移。

通过这种方法，研究人员揭示了界面SO ₄ ^•− 的两个重要特性。首先，生成的SO ₄ ^•− 优先存在于空气-水界面，而不是在体相。

这归因于SO ₄ ^•− 在空气-水界面的自由能最低，以及SO ₄ ^•− 和H ₃ O ⁺ 之间形成的强氢键相互作用，这种相互作用提供了一个强大的稳定力使得SO ₄ ^•− 存在于界面区域；其次，界面SO ₄ ^•− 对于诸如甲苯等挥发性有机污染物具有最低的反应能垒和最高的氧化反应活性，其速率常数为10 ¹⁰ M ^-1 s ^-1 ，远高于在体相中的反应中。

综上，这些发现强调了利用空气-水界面加速ROS诱导的反应的优点，并且提供了对界面ROS及其潜在应用的更全面的理解。

文献信息

Harnessing air-water interface to generate interfacial ROS for ultrafast environmental remediation. Nature Communications, 2024. DOI: 10.1038/s41467-024-53289-z

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