综述：用于全氟和多氟烷基物质（PFAS）降解的超高选择性吸附剂：弥合吸附与催化降解之间的差距以实现持久性环境污染物优异性能

本综述系统探讨了将吸附与催化降解创新性整合于杂化系统中的前沿策略，旨在实现PFAS的原位捕获与同步降解，从而达到完全矿化并最大限度减少二次污染。文章重点阐述了金属有机框架（MOFs）、共价有机框架（COFs）等先进材料的设计原理，强调了其结构可调性、高比表面积和精确官能团嵌入如何促进选择性吸附和催化破坏。综述还指出了当前挑战（如复杂基质中的选择性保持、催化剂失活）及未来方向（如开发尺寸排阻涂层、利用人工智能/机器学习（AI/ML）进行高通量筛选），为加速可持续PFAS修复的杂化系统发展提供了关键框架。

　　

引言：永远的化学品挑战

全氟和多氟烷基物质（PFAS）因其碳氟键（C–F）异常坚固而成为一类高度持久的环境污染物，被称为“永远的化学品”。它们广泛存在于水体、土壤甚至人体血液中，对生态系统和公共健康构成严重威胁，包括内分泌干扰、免疫毒性和潜在致癌性。传统的修复方法，如吸附（如颗粒活性炭GAC）和高级氧化过程（AOPs），往往只能实现污染物的转移或部分降解，无法彻底解决其持久性问题，甚至可能产生二次污染。

当前PFAS吸附剂的发展现状

吸附技术因其成本效益和操作简便性，是目前PFAS remediation的主流技术之一。常规吸附剂如GAC和离子交换树脂（AERs）对长链PFAS（如PFOA, PFOS）表现出较好的吸附能力，主要通过疏水相互作用和静电吸引。然而，它们对短链PFAS（如PFBA, PFBS）的捕获效率较低，且吸附后产生的富集废料需要昂贵的后续处理。

新型吸附剂，如金属有机框架（MOFs）和共价有机框架（COFs），凭借其高比表面积、可调的孔道结构和表面化学，展现出更高的选择性和吸附容量。例如，锆基MOF（Zr@MOFs）通过其金属节点的空配位位点可实现94%的PFOA吸附；而β-环糊精COF（β-CD-COFs）则通过氢键和范德华力对多种全氟烷基磺酸盐（PFSAs）表现出高达97%的去除率。分子印迹聚合物（MIPs）和磁性纳米复合材料（如磁性胺功能化氧化石墨烯MAGO）则提供了更高的特异性识别和易于分离再生的优势。

弥合吸附与催化的桥梁：杂化材料设计原则

单纯吸附治标不治本，而单纯的催化降解在复杂水基质中往往效率低下。将吸附与催化功能集成于单一杂化材料中，被认为是实现PFAS高效彻底去除的变革性策略。其核心设计原则在于利用吸附位点预先富集并定位PFAS分子，通过“邻近效应”显著提高其在催化活性位点附近的局部浓度，从而加速降解动力学。

这种协同作用依赖于材料的多功能设计：静电互补性用于吸引PFAS的阴离子头基（如磺酸根、羧酸根）；氟ophilic相互作用或疏水作用用于捕获其全氟烷基尾链；精确的孔道限域效应则可以实现基于分子尺寸的选择性。例如，Fe掺杂的UiO-66 MOF既能通过Zr⁴⁺节点吸附PFAS，又能利用Fe³⁺/Fe²⁺氧化还原中心进行催化脱氟，实现了高达99.5%的PFOA去除率和约70%的脱氟率。

催化降解的核心途径：还原与氧化

PFAS降解的关键在于断裂其坚固的C–F键。主要途径包括还原性脱氟和自由基氧化。

还原性脱氟（如UV/亚硫酸盐体系）通过电子转移直接攻击C–F键，通常从靠近官能团的α-碳开始，进行逐步脱氟和链缩短，最终实现矿化（生成F^-和CO₂）。该途径对彻底破坏PFAS分子结构至关重要。

氧化降解则依赖于高活性自由基（如羟基自由基•OH、硫酸根自由基•SO₄^•-）的攻击。催化过硫酸盐活化（如使用纳米零价铁nZVI）是常见策略。近年来，非自由基途径（如单线态氧¹O₂或高价金属物种）因其高选择性和抗干扰能力也受到关注。光电催化（如UV-TiO₂）则结合了光生空穴（h⁺）的氧化能力和光生电子（e^-）的还原能力，是一个多途径协同的过程。

挑战与未来展望

尽管杂化系统前景广阔，但其大规模应用仍面临诸多挑战。包括在复杂水质基质（如存在天然有机物NOM、竞争性阴离子）中保持高选择性；防止催化剂因污染而失活；提高材料的长期稳定性和可再生性；以及降低高昂的能源消耗（如电气能耗 per order, EE/O）和成本。

未来研究方向应聚焦于：开发尺寸排阻涂层以提高选择性；利用UV/臭氧预处理减少污染；通过AI/ML进行高通量材料筛选和优化；进行详细的成本效益分析和生命周期评估（LCA），比较杂化材料与单功能材料的优劣。先进的表征技术（如原位X射线吸收精细结构XAFS光谱）将有助于深入理解降解机理。

总之，吸附-催化杂化系统为PFAS的可持续修复提供了充满希望的路径，直接支持联合国可持续发展目标（SDG）6（清洁饮水和卫生设施）和9（产业、创新和基础设施）。通过跨学科合作，加速这类先进材料的研发与实施，是最终解决PFAS污染危机的关键。