均相芬顿反应在展示其广阔水处理应用空间与前景的同时，也伴随着诸多技术缺陷，如Fe(III)易水解且难还原，导致芬顿氧化工艺存在铁泥产量大、pH工作区间窄等。非均相芬顿体系使用易分离回收的非均相催化剂，可拓宽pH适用范围、大幅减少铁泥产生量，有效克服了均相芬顿体系的诸多不足，是当前水污染控制化学领域的研究热点。由于涉及复杂的界面过程，非均相芬顿体系的催化氧化机制较均相体系更为复杂。围绕典型非均相Fenton体系(氧化铁/H2O2)已有大量研究工作报道，但在不同污染物的降解路径和机制的认知上仍存在明显争议，这在很大程度上是由于现有研究大抵缺乏对污染物与催化剂表面相互作用的充分关注。探究这一相互作用对污染物降解路径和机制的影响对完善非均相芬顿反应机制的认知、发展适配污染物特性的高效非均相芬顿体系具有重要意义。
近日，课题组以经典的水铁矿/H2O2为模型体系，结合一系列污染物降解实验、醇抑制实验、理论模拟及产物分析，系统探究了污染物与催化剂表面之间的相互作用对污染物降解路径及机制的影响。研究选用两组有机物，一组含有能与催化剂表面络合的羧基官能团，包括苯甲酸、苯乙酸及4-羟基苯甲酸，另一组则不含络合官能团，包括阿特拉津、硝基苯及甲基苯基亚砜。研究发现，不含络合官能团的有机物的降解反应主要发生在溶液中，符合传统的羟基自由基氧化机制，产生羟基加成中间体，反应可被自由基捕获剂完全抑制。然而，对于含羧基的有机物，由于其与催化剂表面的络合作用，降解反应发生在催化剂表面，符合电子转移机制，产生寡聚体中间体，且无法被自由基捕获剂抑制（图1）。这一工作完善了对传统非均相芬顿体系降解污染物的路径与机制认知，为构建适配污染物特性的高效非均相芬顿体系提供了新思路与新依据。
研究成果以“Interaction between Organic Compounds and Catalyst Steers the Oxidation Pathway and Mechanism in Iron Oxide-based Heterogeneous Fenton System”为题在线发表于环境领域知名学术期刊Environ. Sci. Technol. (https://doi.org/10.1021/acs.est.2c04557)。论文第一作者为博士生陈磊，通讯作者为潘丙才教授与钱杰书教授，杨志超博士为共同作者。研究得到了国家自然科学基金以及江苏省自然科学基金的资助。
图1. 污染物与水铁矿催化剂表面相互作用改变污染物的降解路径与机制