综述：分子氧活化技术的全面综述：策略、有机污染物去除及其他创新应用

《Separation and Purification Technology》：Comprehensive review of molecular oxygen activation technology: strategies, organic pollutants removal and other innovative applications

本文系统综述了分子氧活化技术（MOA）在环境污染物降解中的应用，分析其通过产生活性氧物种（ROS）实现污染物矿化的机制，探讨不同材料（半导体、金属基、碳基等）的活化策略，并评估其在水、土壤、大气环境中的效率及生态风险。同时，综述了该技术在有机合成和生物医学中的创新应用潜力。

　　

钟图山|傅月|陈映毅|王琴|易云强|陈伟瑞|王宇|刁增辉|陈正国

中国农业工程学院资源与环境学院岭南特色食品绿色加工与智能制造重点实验室，广州510006，中国

摘要

有机污染物在环境介质中的积累对生态环境和人类健康构成了日益严重的威胁，因此有效去除这些有毒污染物至关重要。近年来，与其他先进氧化技术相比，分子氧活化技术因其环保和低成本的优势而成为降解有机污染物的理想选择。本文总结了通过多种环境功能材料实现分子氧活化产生活性氧（ROS）的策略和机制。具体而言，分析了该技术对水中有毒有机污染物的去除效率和机制，发现水中的有机污染物深度矿化归因于ROS选择性地攻击污染物的富电子位点和关键功能基团。此外，还详细阐述了该技术去除土壤中有机污染物的效果和机制，确定OH、O?^?和¹O?是降解有机污染物的关键活性物种。进一步讨论了该技术在减少大气有机污染物方面的性能和机制，其中吸附在催化剂上的挥发性有机化合物被ROS氧化形成甲酸中间体，然后进一步氧化为CO?和H?O。还探讨了其在有机合成和生物医学领域的跨学科应用，强调了ROS在药物合成和抗耐药性感染及肿瘤治疗中的效果。总体而言，本综述为分子氧活化技术的合理设计、性能优化、环境风险管理以及跨学科创新应用提供了支持。

引言

随着工业化和农业现代化的快速发展，有机污染物（如抗生素、农药、持久性有机污染物（POPs）在土壤、水体和大气等多介质环境中的累积效应日益显著，对生态环境和人类健康构成了严重威胁[1,2]。在水中环境中，长江流域磺胺类抗生素的浓度高达657.02 μg/L。它们的持续存在不仅促进了微生物抗生素抗性基因的传播，还通过食物链对水生生物造成毒性压力[3,4]。在土壤介质中，吡虫啉在农田土壤中的不断积累会抑制氨氧化细菌的活性，导致微生物群落结构失衡，进而影响氮循环[5]。大气中持久性有机污染物的长距离传输特性导致北极永久冻土带等偏远地区检测到高浓度的全氟和多氟烷基物质（PFAS）。大气中的污染物可通过干沉降和湿沉降进入陆地和水生生态系统，在土壤或水中积累，并被植物吸收进入食物链，从而增加人类患癌症和免疫系统疾病的风险[[6], [7], [8], [9]]。因此，消除环境介质中的有机污染物具有重要意义，是确保生态和环境安全的关键措施。

目前处理有机污染物的技术主要包括吸附、生物降解和传统高级氧化过程（AOPs）[[10], [11], [12]]。然而，吸附仅能促进污染物的相转移，无法实现完全矿化[13]。生物降解受微生物活性的限制，对于高毒性或惰性污染物（如多氯联苯）效果较差[14]。尽管传统AOPs（例如芬顿反应和臭氧氧化）可以利用强氧化剂（如OH）分解污染物，但它们面临催化剂失活、对酸性条件依赖性强以及可能产生铁污泥二次污染等问题[15,16]。近年来，分子氧活化技术因其环保和高效的特点成为研究热点。该技术通过光、电或化学手段激活环境中的分子氧（O?），将其转化为高活性的ROS，从而实现污染物的深度矿化[[17], [18], [19]]。例如，刘等人使用氮掺杂的碳涂层Cu-Co合金催化剂将分子氧分层活化为¹O?，在40分钟内实现了96.79%至98.91%的诺氟沙星去除率和约70%的矿化率，表现出优异的降解性能[20]。同时，周等人发现使用ZVI/EDTA/空气系统时，2,4-DCP在受污染土壤中的降解率为98%，确定O?^?和HO?·是关键活性氧物种[21]。此外，梁等人[22]成功制备了羟基/氨基和Fe(III)共接枝的石墨碳氮化物（CN）材料，在可见光照射下产生光生电子和空穴，激活分子氧生成O?^?和OH，从而促进挥发性有机化合物（VOCs）的降解。最后，通过对Web of Science?上过去十年以“氧活化”和“AOPs”为关键词的出版物进行统计分析（图1），发现该领域的研究进展迅速。

目前，分子氧活化技术及其在有机污染物降解中的应用研究取得了显著进展，主要关注分子氧活化机制、环境修复应用以及特定ROS的生成和功能机制[[23], [24], [25], [26], [27], [28]]。然而，不同材料（如半导体、金属基、碳基、仿生催化材料）对分子氧活化的微观机制及其在复杂环境介质（水、土壤、大气）中的应用效果的系统分析仍有限。值得注意的是，关于污染物降解过程中产生的中间产物的潜在生态毒性和健康风险的综合评估缺乏。此外，关于不同类型材料分子氧活化策略、机制和优化方向的系统综述也尚未完善。重要的是，这项技术在有机合成和生物医学等跨学科应用中的创新突破和巨大潜力尚未得到充分总结，这限制了其在多种场景下的应用探索。

因此，本综述重点关注以下核心问题：（1）从不同材料的角度深入讨论分子氧活化机制和优化方向；（2）系统评估分子氧活化技术在降解环境介质（水、土壤、大气）中有毒有机污染物方面的综合性能，详细分析其作用机制，评估不同环境条件下的降解/矿化效率及当前实际应用状况，重点关注整合和分析降解中间体的毒性水平和潜在生态风险；（3）回顾该技术在有机合成和生物医学等跨学科应用中的最新进展、机制和发展潜力。本综述旨在增进对分子氧活化技术的理解，并推动其从基础研究到实际工程的应用。

章节摘录

分子氧活化策略与途径

分子氧是一种绿色、无毒且经济的氧化剂。然而，由于其固有的自旋限制状态，其直接氧化有机污染物的能力有限。因此，需要通过电子转移或能量转移途径活化分子氧以生成ROS，进而驱动氧化还原反应，实现有机污染物的有效降解[29,30]。分子氧的有效活化关键取决于精确的调控

水中的去除性能和机制

抗生素是水体中的常见有机污染物，能够促进微生物群落中抗生素抗性基因的传播和演化，最终影响人类健康和生态系统稳定性。为了有效去除这些污染物，基于分子氧活化的先进氧化过程（AOPs）已成为关键策略。该技术将氧气转化为具有强氧化能力的ROS，从而实现高效

用于高效去除土壤中有毒物质的分子氧活化：性能与机制

土壤中的残留有机农药和其他污染物对生态环境和人类健康构成潜在风险。近年来，活化分子氧技术作为有效的污染物降解方法受到了广泛关注。通过生成活性氧（如O?^?和OH），该技术可以有效氧化和矿化有机农药，从而促进土壤净化。曹等人[189]首次提出了

用于去除空气中有毒物质的分子氧活化：效率与机制

随着社会发展和对清洁环境需求的增加，空气污染引起了广泛关注，特别是来自工业和家庭活动的挥发性有机化合物（VOCs），如甲苯、甲醛和苯等。长期暴露于这些有害气体可能导致严重的健康问题。尽管传统的空气污染物处理方法有效，但它们通常受到高能耗的限制

绿色合成（工业催化）

在现代工业催化中，分子氧活化技术已成为实现绿色合成的核心策略。通过高效且节能地将氧气转化为高活性氧物种，这种方法不仅消除了传统氧化过程中使用有毒氧化剂的需要，还显著提高了有机合成的经济可行性和反应选择性。它在合成和应用领域具有广泛的应用前景

结论与展望

分子氧活化技术已成为环境修复和生物医学应用中的多功能强大策略。本综述系统总结了近期在活化机制和材料设计方面的进展，包括半导体、金属基、碳基和仿生催化剂。这些材料有助于生成如?OH、?O?^?和¹O?等ROS，从而实现顽固污染物的深度降解和矿化

CRediT作者贡献声明

钟图山：撰写——原始草稿、软件开发、数据分析、概念化。傅月：撰写——原始草稿、方法论设计、数据分析。陈映毅：撰写——原始草稿、软件开发、数据分析。王琴：撰写——审稿与编辑。易云强：撰写——审稿与编辑、项目监督、概念化。陈伟瑞：撰写——审稿与编辑。王宇：撰写——审稿与编辑。刁增辉：撰写——审稿与编辑。陈正国：

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（42107395）、广州市科学技术协会青年人才支持项目（QT2024-013）、广州市科技计划项目（2025A04J4231）、广东省普通高校重点领域专项（2024ZDZX4011）、广东省普通高校创新团队项目（2024KCXTD007）、广东省现代农业产业技术体系（