傳統(tǒng)芬頓反應以H2O2作為鏈傳播介質(zhì)，通過內(nèi)層電子轉(zhuǎn)移反應介導Fe(III)/Fe(II)轉(zhuǎn)化，從而持續(xù)產(chǎn)生羥基自由基(HO•)。然而，F(xiàn)e(III)易水解且難還原，導致芬頓氧化工藝存在鐵泥產(chǎn)量大、pH工作區(qū)間窄(pH 2.0~3.5)等固有缺陷。此外，HO•的高反應活性也使其易與實際水體中大量共存基質(zhì)反應，極大地降低了對目標污染物的氧化效率、提高了運行成本。因此，如何突破芬頓反應局限、提升對目標污染物的降解選擇性對推動芬頓水處理技術的應用升級具有重要意義。通過改變鐵配位環(huán)境以調(diào)控Fe(III)/Fe(II)循環(huán)，促進HO•及選擇性氧化物種的同時產(chǎn)生是潛在解決方法。然而，常見的小分子羧酸類配體不僅難以強化Fe(III)/Fe(II)循環(huán)以促進HO•的產(chǎn)生，也無法產(chǎn)生選擇性氧化物種；部分N基大環(huán)配體雖能強化Fe(IV)=O等高價鐵的產(chǎn)生以提高對污染物的降解選擇性，但制備復雜且未商品化，難以實際應用。
 

　　課題組在前期研究基礎上(Water Res. 2018,137, 37-46；Environ. Sci. Technol. 2018, 52, 2197-2205；Chem. Eng. J. 2020, 391, 123592)，以可生物降解的吡啶甲酸(PICA)為配體發(fā)展了Fe(III)/Fe(II)循環(huán)調(diào)控的新方法，為解決上述問題提供了一條可行的路徑。PICA是生物體內(nèi)色氨酸代謝物，常用作絡合劑以促進生物體對鉻、鋅等元素的吸收。
 

　　研究發(fā)現(xiàn)，在pH 5–6區(qū)間內(nèi)，PICA可高效催化Fe(III)/H2O2降解阿特拉津、鹵代酚等各類模型污染物。其作用主要體現(xiàn)在以下三個方面：(1) 與Fe(III)配位形成2:1配合物(FeIII(PICA)2OH或其二聚體)，提高與H2O2的反應速率，促進Fe(III)的還原；(2) 反應過程中PICA被HO•降解，產(chǎn)物可直接還原Fe(III)；(3) 穩(wěn)定Fe(III)/Fe(II)循環(huán)中高自旋鐵過氧化物—PICA–FeIII–OOH，從而使其作為親核試劑在實際水體中高效選擇性氧化各類鹵代酚。PICA不僅顯著改善了芬頓反應的運行條件，兩種氧化物種的同時產(chǎn)生也可兼顧高級氧化的廣譜性和選擇性。該研究可為高效配體或芬頓催化劑的選擇及設計提供新思路。
 

　　研究成果以“The Fenton Reaction in Water Assisted by Picolinic Acid: Accelerated Iron Cycling and Co-generation of A Selective Fe-based Oxidant”為題在線發(fā)表于環(huán)境領域?qū)W術期刊Environmental Science & Technology (https://doi.org/10.1021/acs.est.1c00230)。論文第一作者為楊志超助理研究員，通訊作者為潘丙才教授和康涅狄格州農(nóng)業(yè)研究所Joseph J. Pignatello教授，單超副教授為共同作者?？的腋裰蒉r(nóng)業(yè)研究所楊一博士、Hirotatsu Murano副教授、王正陽博士及畢翔宇博士參與了課題內(nèi)容討論。本研究得到了國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃、中國留學基金委及美國NIFA的資助。
 

　　原標題：潘丙才教授課題組在Fenton反應選擇性調(diào)控方面取得新進展