以芬顿及类芬顿反应为代表的高级氧化技术已被广泛用于水中有机污染物的降解去除。相关过程产生的具有强氧化能力的活性物种（如羟基自由基）易被水中共存物质消耗，导致完全矿化目标污染物需消耗显著过量的氧化剂，且伴随不可控的碳排放。根据污染物氧化转化过程设计绿色可控的碳转移路径是实现低碳水处理的重要科学基础，但仍面临诸多基础性与技术性挑战。近二十年来化学、材料学等相关学科的研究表明，纳米限域空间内化学反应可展现出与体相反应迥异的热力学与动力学特性，这一特性可能为诸多化学反应的过程调控提供有效策略，但这一策略是否可适用于指导绿色低碳水处理技术的创新尤其是高级氧化水处理技术的革新尚不清晰。
潘丙才/钱杰书教授课题组近年来聚焦水处理纳米限域效应的基础研究与技术创新开展了持续研究（Proc. Natl. Acad. Sci. USA,2019,116, 6659; Environ. Sci. Technol. 2020, 54, 14, 8509; Environ. Sci. Technol.2021, 55, 665; Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202200406）。最近的研究发现，基于石墨烯气凝胶（GA）负载UiO-66-NH2-(Zr/Fe)（其中Fe(III)位点锚定在Zr6-oxo团簇边缘）的纳米限域策略，可实现在不改变H2O2活化过程的前提下，将酚类污染物的氧化路径从具有动力学优势的开环路径转变为具有热力学优势的寡聚化路径（图1）。以苯酚去除为例，与开放体系相比，该纳米限域体系的去除速率提升了两个数量级（208倍），总有机碳去除率由3.6%提升至92.2%。此外，与传统矿化路径相比，寡聚化路径减少了95%以上的氧化剂消耗和77.9%的碳排放。上述研究结果为绿色低碳水处理技术的创新发展提供了一定的策略性、理论性参考。
研究成果以“Nanoconfinement-triggered oligomerization pathway for efficient removal of phenolic pollutants via a Fenton-like reaction”为题，于2024年1月31日发表于Nature Communications（2024, 15, 917）。南京理工大学钱杰书教授（现无锡学院教授）、南京大学潘丙才教授为通讯作者。本研究得到了国家自然科学基金及江苏省杰出青年基金的资助。
图1. 类芬顿体系中苯酚去除路径示意图（上）开放体系中的开环路径；（下）限域体系内的寡聚化路径