Appl Catal B-Environ：基于非晶合金的高级氧化技术——高效去除饮用水消毒副产物

研究背景

水，孕育了生命，是人类赖以生存的最重要的物质资源。长期以来，作为全世界最大的公共卫生焦点，饮用水的安全关乎人类的健康与发展。19世纪初期，各国陆续开始使用氯对饮用水进行消毒，它能有效杀灭水中的病原微生物，大大降低了人们感染伤寒、霍乱等水传播疾病的概率。氯化消毒由于其价格低廉、广谱杀菌、持续消毒、易贮存和运输等优点，被广泛应用于饮用水处理工艺中，目前仍是世界上使用最多、最广泛的饮用水消毒方式，也是我国多年来在给水处理中一直沿用的主要消毒方式之一。然而20世纪70年代以来，人们逐渐发现氯作为消毒剂在杀死致病菌的同时，会与水中有机物，如藻类、腐殖酸、细菌等发生取代、加成和氧化等一系列化学反应，产生对人体健康有直接危害的物质—消毒副产物（disinfection by-products, DBPs），如三卤甲烷、卤乙酸等。大量流行病学研究调查结果表明，长期饮用含有DBPs的水会增加女性不良妊娠、男性患膀胱癌等生殖系统疾病的风险。因此，如何有效降解饮用水中的DPBs成为材料、环境、化工和机械装备等领域的研究热点。

高级氧化（Advanced oxidation processes, AOP）技术是近年来发展起来的DPBs降解处理的全新技术，它具有氧化能力强、反应速度快、处理效率高的优点，然而，对反应条件要求高如芬顿试剂要求在pH 3.5以下进行，催化剂回收困难等问题也成为了制约其大规模应用的缺点。开发高效、高稳定性的催化剂是当前AOP技术发展与应用的关键。虽然各种纳米催化剂（如纳米零价铁、Fe2O3）相继被开发测试，但是这些纳米颗粒状催化剂的循环使用次数极其有限（通常小于10次），分离困难，也限制了其实际应用。非晶合金是一种原子无序排列的新型金属材料，由于其独特的结构特征，在力学、物理、化学等方面表现出优异的性能。

图文解读

最近，深圳大学的科研人员将铁基非晶合金条带引入饮用水消毒副产物的处理中，在中性条件（pH = 7.0）下结合类芬顿反应实现了饮用水中芳香族卤代DBP: 3,5-二氯水杨酸的高效降解，其降解效率要显著优于对应晶态材料和零价铁（图1）。

图1. Fe-Si-B非晶条带、Fe-Si-B晶化条带、零价铁催化降解饮用水消毒副产物3,5-二氯水杨酸

3,5-二氯水杨酸经过降解后，运用中国仓鼠卵巢（CHO）细胞对降解前后的水样综合进行了评价，结果表明饮用水样品细胞毒性相比于未降解前降低了约88.1%（以CHO细胞的LC50值来衡量）（图2）。

图2. Fe-Si-B非晶条带催化降解3,5-二氯水杨酸前后的水样细胞综合毒性

与此同时，Fe-Si-B非晶合金催化剂还表现出优异的循环稳定性，在循环使用10次后，其降解效率基本保持不变并略有升高（图3）。机理研究的结果表明：在中性条件下，Fe-Si-B非晶合金表面的Fe2+可以与H2O2反应生成活性物质（图4）。经鉴定该活性物质是高价铁FeIV，而非传统认为类芬顿反应产生的羟基自由基，这是一种全新的非晶合金催化降解机制。

图3. Fe-Si-B非晶条带催化降解3,5-二氯水杨酸的循环性能图

图4. Fe-Si-B非晶条带与H2O2反应产生活性物质的顺磁共振波普图

相比于羟基自由基，FeIV是一种更具选择性的氧化剂，可以高效降解饮用水中的芳香族DBP 3,5-二氯水杨酸。Fe-Si-B非晶合金因其表面原子具有更高的活性，相比于其对应晶态合金，其独特的非晶态结构更易于吸附H2O2，使得其中的Fe2+更容易被氧化，表现出更低的激活能，从而实现高降解效率和优异的循环性能（图5）。

图5. Fe-Si-B非晶条带催化降解3,5-二氯水杨酸的机理

文章总结

该研究成果以”Insight into efficient degradation of 3,5-dichlorosalicylic acid by Fe-Si-B amorphous ribbon under neutral condition”为题在线发表于环境催化领域知名学术期刊Applied Catalysis B: Environmental。第一作者为硕士研究生张利博，通讯作者为张振轩副研究员，马将研究员。该研究得到了广东省应用与基础研究重大项目（2019B030302010），国家自然科学基金面上项目（51871157, 5197115）、深圳市基础研究重点项目（JCYJ20170412111216258）和国家重点研发计划（2018YFA0703605）等资助。

论文信息

Insight into efficient degradation of 3,5-dichlorosalicylic acid by Fe-Si-B amorphous ribbon under neutral condition

Libo Zhang, Lianxiang Qiu, Qingyao Zhu, Xiong Liang, Jingxiong Huang, Mengting Yang, Zhenxuan Zhang*, Jiang Ma*, and Jun Shen. Applied Catalysis B: Environmental, 2021, doi.org/10.1016/j.apcatb.2021.120258

文章链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0926337321003842