强异质界面相互作用介导的三电子氧还原生成羟基自由基用于废水净化的光催化研究

本研究针对传统光自芬顿(PSF)过程中•OH被H2O2猝灭及金属离子持续消耗等问题，通过构建具有强异质界面相互作用(SHIs)的PDINH/WO3复合催化剂，实现了三电子氧还原(3e- ORR)路径精准调控，在连续流废水处理中展现出120小时稳定性和<5%活性损失的优异性能，为复杂水质环境修复提供了新策略。

　　

随着新兴有机污染物和耐药菌在水环境中的持续累积，传统高级氧化工艺(AOPs)面临着反应效率低、二次污染严重等挑战。其中，光自芬顿(PSF)技术虽能利用O₂通过两电子氧还原(2e^- ORR)产生H₂O₂，却因•OH与H₂O₂的自我淬灭效应及Fe³⁺/Fe²⁺循环的动力学限制，难以实现可持续污染物降解。更棘手的是，在高盐度、极端pH等复杂水质条件下，现有催化体系的稳定性往往急剧下降。

针对这些瓶颈，中国研究人员设计了一种具有强异质界面相互作用(SHIs)的PDINH/WO₃复合光催化剂。该材料通过共价键相互作用将有机PDINH与无机WO₃紧密结合，成功实现了从O₂到•OH的三电子转移路径(3e^- ORR)精准调控。研究发现，WO₃负责2e^- ORR生成H₂O₂，而PDINH则通过增强*H₂O₂中间体吸附，促进其进一步1e^-还原为•OH。这种协同作用使得系统在连续流废水处理中展现出120小时稳定性，对四环素等抗生素的降解效率显著提升，相关成果发表在《Applied Catalysis B: Environment and Energy》。

关键技术方法包括：通过水热法构建共价键连接的PDINH/WO₃异质结；利用电子顺磁共振(EPR)和捕获实验验证•OH主导作用；结合光电化学测试与密度泛函理论(DFT)计算阐明3e^- ORR机制；采用连续流反应器评估实际废水处理性能。

【Morphological and structural characterization】

SEM/TEM显示PDINH呈纳米片连接纳米颗粒结构，WO₃为无定形短棒状。共价相互作用使两者成功复合，XPS证实W-O-C键形成，FTIR显示PDINH特征峰位移，表明强电子耦合。

【Conclusions】

该研究确立了SHIs作为调控3e^- ORR路径的普适性设计原则，突破了传统PSF技术的速率限制步骤。在含高盐、极端pH和天然有机物的实际废水中，系统仍保持>95%活性，抗菌率高达99.9%。DFT计算揭示PDINH的LUMO能级与H₂O₂的σ*轨道匹配，使电子转移能垒降低0.38 eV，这为开发高效环境修复技术提供了新思路。

这项工作的创新性在于：首次通过SHIs实现3e^- ORR路径的精准控制；解决了H₂O₂原位生成与转化的动力学矛盾；在无需外加金属助催化剂条件下，实现了持久抗菌和污染物降解的双重功能。这些发现为复杂水质环境治理提供了兼具理论基础和应用价值的解决方案。