核壳纳米反应器臭氧活化增强有机污染物降解：限域效应诱导的表面束缚超氧自由基

为解决传统臭氧高级氧化工艺(AOPs)中自由基介导的氧化路径易受复杂水体基质干扰的问题，北京建筑大学团队设计了一种新型核壳结构纳米反应器(FeMn-700)，通过限域效应定向生成表面束缚超氧自由基(O2 •? )，实现20分钟内完全降解20.0 mg/L苯酚，并在真实水体中保持100%效率，为突破AOPs技术瓶颈提供了新思路。

　　

水污染治理领域长期面临一个棘手难题：传统臭氧高级氧化技术虽然能通过羟基自由基(^•
OH)降解有机物，但这些自由基本质上就像"暴脾气的小精灵"——活性极高却极易被水体中的无机离子"绑架"，导致实际处理效率大打折扣。更令人头疼的是，不同水源（如湖水、海水）就像性格迥异的"问题学生"，含有的干扰物质千差万别，使得现有技术难以"因材施教"。北京建筑大学环境与能源工程学院的研究团队独辟蹊径，从金属有机框架(MOFs)材料中获得灵感，通过精妙的"纳米笼子"设计，让污染物降解过程从"自由散打"变为"精准格斗"，相关成果发表在环境领域权威期刊《Environmental Research》。

研究团队采用三个关键技术手段：首先通过普鲁士蓝类似物(PBA)前驱体可控热解法构建核壳结构纳米反应器；其次结合电子自旋共振(ESR)和自由基探针实验验证表面束缚自由基生成机制；最后通过五种真实水体（湖水、雨水等）验证抗干扰性能。

【合成与表征】
热解FeMn-PBA前驱体制得的FeMn-700催化剂，X射线衍射显示其成功转化为Fe₃
O₄
/Mn₃
O₄
异质结构，电镜观测到独特的"蛋壳"结构，比表面积达213.5 m²
/g，为限域效应提供物理基础。

【催化性能】
在pH 4.0-9.0范围内，FeMn-700/O₃
系统对苯酚的降解速率常数(k)达0.66 min^-1
，是传统均相臭氧氧化的11倍。最令人振奋的是，在含高浓度Cl^-
(200 mM)的模拟海水中仍保持90%以上效率，突破性地解决了离子干扰难题。

【机制解析】
限域效应产生三重协同：空间约束促进反应物富集，Fe/Mn双活性位点协同活化臭氧，特异性生成表面束缚O₂
^•?
而非体相^•
OH。ESR检测到特征峰(g=2.004)证实该机制，淬灭实验显示表面自由基贡献率达86.7%。

【生态应用】
毒性评估显示处理后的废水对小麦种子发芽率从46%恢复至93%，证实该系统不仅能"快刀斩乱麻"地降解污染物，更能"釜底抽薪"地消除生态风险。

这项研究开创性地将纳米限域效应与表面自由基化学相结合，犹如为臭氧分子打造了"专属竞技场"，使其在水处理"实战"中展现出惊人的适应力。FeMn-700催化剂就像智能的"分子手术刀"，通过精确控制自由基的产生位置和作用方式，实现了从"粗放式轰炸"到"精准打击"的技术跨越，为复杂水体治理提供了普适性解决方案。该工作不仅为MOFs衍生物设计提供了新范式，更推动AOPs技术向实际工程应用迈出关键一步。