非均相Fenton过程中生成的羟基自由基(HO)具有高氧化还原电势(E0 = 2.73 V)和强亲电加成性能，使得以HO为主要氧化活性物种的非均相Fenton技术对水体有机污染物的去除具有显著的效果。过渡金属活化H2O2是生成HO的主要方式之一，其中Fe(II)催化H2O2的Fenton 反应被认为是生成HO最经济有效的选择。然而，体系内Fe(II)/Fe(III)之间的循环速率(k = 0.02 M-1 s-1)远低于Fe(II)和H2O2的反应速率(k = 76 M-1 s-1)，制约了HO的生成。
基于催化剂各组分之间能量协同作用规律开发出的双金属Fenton技术，可以通过内部微化学环境的调控来增强Fe(III)还原。其中，低价态的Co(I)、Mn(II)、Cu(I)和Ce(III) 等过渡金属能够和H2O2通过单电子转移过程反应产生HO。更重要的是，铁和第二金属之间氧化还原电势的差值可以强化Fe(III)的还原，进一步改善非均相Fenton过程的限速步骤。然而，这类过渡金属会在H2O2活化的链式反应过程中由于价态的反复变化而部分溶出，导致二次污染。
本课题组在前期研究（Applied Catalysis B: Environmental. 295 (2021) 120282）的基础上，构建了环境友好型Zr-Fe双金属Fenton催化剂，分别探究了ZrO2表面羟基和Zr-Fe异质结这两种结构特征对Fe2O3活化H2O2的影响。实验在60oC条件合成了a-Zr-Fe，并通过600oC煅烧得到c-Zr-Fe。研究表明，a-Zr-Fe中无定形ZrO2虽然不能够直接活化H2O2，但是能够通过表面-OH和H2O2的缔合解离过程生成HO2/O2-。这部分HO2/O2-能够加速Fe(III)的还原来促进Haber-Weiss循环，进而促进HO的生成，使得BPA的去除率相比于α-Fe2O3提升到2.6倍。高温煅烧后得到的c-Zr-Fe形成了(1 0 4)-(0 0 1)和(1 1 0)-(1 0 0)两种异质结结构。其中，(1 1 0)-(1 0 0)异质结处H2O2吸附能仅为-1.59 kJ mol-1，相比于(1 0 4)-(0 0 1)界面处更有利于H2O2在Fe位点的吸附。并且Zr的掺杂增大了Fe位点周围的电荷密度，有助于Fe(II)的失电子过程，进而强化对H2O2的活化。这为环境友好型Zr-Fe双金属Fenton催化剂的设计及潜在应用提供了参考。
上述研究以“Exploring the mechanism of ZrO2 structure features on H2O2 activation in Zr-Fe bimetallic catalyst”为题(https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2021.120685)，近日发表在环境领域专业期刊Applied Catalysis B: Environmental。课题组博士研究生尹越为第一作者，张炜铭教授为论文通讯作者。南京大学吕路教授、硕士研究生吕若琳、博士研究生李晓洋为共同作者。研究得到了国家重点研发计划-政府间国际科技创新合作重点专项（2017YFE0107200）的资助。
