Ru/nZVI-Ni不对称电荷诱导高效原子氢介导脱氯：微溶剂化效应的理性设计与环境应用

针对传统nZVI材料在氯代溶剂降解中电子转移效率低、H2 析出副反应严重的问题，研究人员通过自腐蚀策略构建了Ru/nZVI-Ni双金属催化剂，利用不对称电荷分布优化H? 积累与OH脱附，实现TCE脱氯速率提升23.6倍，结合微溶剂化效应将HER抑制至3.50%，为地下水修复提供了经济高效的解决方案。

　　

氯代有机溶剂如三氯乙烯(TCE)是地下水污染的主要元凶，传统纳米零价铁(nZVI)技术面临两大瓶颈：直接电子转移效率低下，以及氢原子(H^?
)被氢析出反应(HER)大量消耗。H^?
虽具有超强还原能力(E⁰
= -2.1 V vs RHE)，但其在催化剂表面的稳定存在始终是国际难题——水分子的H-OH键难以断裂，而生成的H^?
又极易通过Volmer-Heyrovsky/Tafel路径复合成H₂
。更棘手的是，实际工程中电化学系统的昂贵成本让许多污染场地望而却步。

浙江某研究团队在《Applied Catalysis B: Environment and Energy》发表的研究给出了破局方案。他们巧妙利用铁镍合金(nZVI-Ni)的自腐蚀过程，原位生长超低负载量(≤0.5 wt%)的钌(Ru)纳米颗粒，构建出具有不对称电荷分布的缺陷结构。这种Ru/nZVI-Ni催化剂不仅将TCE脱氯速率提升至传统nZVI-Ni的8.85倍，更通过微溶剂化效应将HER抑制到惊人的3.50%，最终实现4.169 mmol/g/h的污染物降解效率。

关键技术方法
研究采用湿法浸渍合成Ru/nZVI，通过24小时自腐蚀构建缺陷界面；结合HAADF-STEM和XPS追踪Ru的电子转移效应；利用电化学测试和同位素标记验证H^?
生成路径；引入DMSO等溶剂调控氢键网络，通过分子动力学模拟阐明溶剂化效应。

研究结果

1. 材料合成与表征
   SEM-EDS显示Ru在Fe-Ni基质上高度分散(图1)，XPS证实腐蚀过程使Ru 3d轨道电子密度增加0.8 eV，形成Fe→Ni→Ru的电荷转移链，优化了OH吸附能(-1.23 eV→-0.67 eV)。

2. 催化性能突破
   在纯水体系中，Ru/nZVI-Ni的k_obs
   达到0.147 min^-1
   ，是nZVI-Ru的23.6倍。DMSO-H₂
   O混合溶剂使反应活化能从42.6 kJ/mol降至18.9 kJ/mol，实现39倍速率提升。

3. 机理阐释
   DFT计算揭示Ru(101)晶面优先吸附Cl^-
   (吸附能-2.34 eV)，而Fe-Ni基质通过拉伸H₂
   O的O-H键(键长从0.97 ?增至1.12 ?)降低水解能垒。溶剂网络重构使质子转移能垒降低61%。

结论与意义
该研究通过"自腐蚀-电子重构-溶剂调控"三级策略，首次实现Ru基催化剂在环境修复中的超低负载高效利用。其创新性体现在：(1)利用Fe-Ni天然氧亲和力缓解Ru的OH毒化；(2)通过溶剂氢键网络动态调控质子传输；(3)催化剂在溶解氧存在下仍保持60天稳定性。这项成果为高毒性混合氯代溶剂的修复提供了可规模化应用的技术原型，更拓展了非电化学H^?
生成理论在环境催化领域的边界。