清華新聞網(wǎng)9月5日電 近日，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院張正華副教授團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)考察了基于納米限域效應(yīng)的高級(jí)氧化過(guò)程（Advanced oxidation processes, AOPs）技術(shù)領(lǐng)域的最新進(jìn)展，聚焦于分散相體系及膜集成系統(tǒng)，總結(jié)了構(gòu)建各類(lèi)多維空間限域催化反應(yīng)器的策略。此外，團(tuán)隊(duì)對(duì)納米限域AOPs體系作用機(jī)理進(jìn)行了深度且全面的探討，在辨析多種AOPs反應(yīng)路徑的同時(shí)揭示了納米限域條件誘導(dǎo)下對(duì)氧化體系產(chǎn)生的獨(dú)特效應(yīng)。在評(píng)估操作參數(shù)對(duì)納米限域AOPs系統(tǒng)性能影響的基礎(chǔ)上，本工作首次對(duì)實(shí)驗(yàn)條件-反應(yīng)效率關(guān)聯(lián)性進(jìn)行了量化分析。基于以上歸納討論，文章進(jìn)一步提出了納米限域AOPs領(lǐng)域存在的關(guān)鍵爭(zhēng)議問(wèn)題與前沿方向，以期為未來(lái)研究提供啟示。
應(yīng)對(duì)全球水安全挑戰(zhàn)，需要先進(jìn)的技術(shù)解決方案來(lái)實(shí)現(xiàn)有效的廢水處理和可持續(xù)的水資源再利用。AOPs被廣泛認(rèn)為是去除水體有機(jī)污染物的高效策略，并被應(yīng)用于降解具有難降解性、生物毒性、低環(huán)境濃度和偽持久性的新興污染物。然而，均相AOPs面臨包括高pH敏感性、催化劑可回收性差以及二次污染等諸多局限，非均相AOPs因此日益受到關(guān)注并得到實(shí)際應(yīng)用。然而，其性能往往受到傳質(zhì)過(guò)程中活性氧物種快速自猝滅的影響，導(dǎo)致氧化劑利用效率低，污染物降解效果不佳。
為了克服這些挑戰(zhàn)，納米限域催化已成為一種提升非均相AOPs性能的重要方案。納米限域效應(yīng)是指由納米尺度的空間限制所引起的化學(xué)和物理（如熱力學(xué)、光學(xué)、電子學(xué)和磁學(xué)等）性質(zhì)的改變和調(diào)節(jié)，在A(yíng)OPs體系中，空間限域可防止催化劑納米顆粒團(tuán)聚，通過(guò)尺寸排阻減輕雜質(zhì)干擾，并富集反應(yīng)物以促進(jìn)污染物與活性物種之間的相互作用。此外，納米限域能夠調(diào)節(jié)電子態(tài)并促進(jìn)電子遷移，從而誘導(dǎo)新的AOPs反應(yīng)機(jī)制?；诖?，納米限域催化可顯著提升AOPs反應(yīng)效率，并有效改善體系選擇性和穩(wěn)定性。
隨著針對(duì)AOPs機(jī)制過(guò)程的研究日益深化，關(guān)于不同反應(yīng)途徑的識(shí)別和量化、納米限域效應(yīng)的確切作用以及操作條件的影響等問(wèn)題仍爭(zhēng)議不斷。因此，為了進(jìn)一步提升納米限域AOPs技術(shù)的適用性，必須對(duì)上述議題進(jìn)行全面系統(tǒng)的分析，為下一代水處理技術(shù)和可持續(xù)水資源再利用指明道路。綜合文獻(xiàn)調(diào)研，納米限域AOPs課題下仍存在幾個(gè)關(guān)鍵疑難亟待鉆研：一是不同系統(tǒng)的比較分析不完整，缺乏一個(gè)涵蓋各種納米限域反應(yīng)器的系統(tǒng)框架；二是納米限域效應(yīng)在氧化環(huán)境下對(duì)催化性能的具體影響尚未得到充分探索；三是環(huán)境參數(shù)對(duì)AOPs化學(xué)過(guò)程在納米限域影響下的獨(dú)特作用未被著重研究；四是納米限域下的AOPs反應(yīng)機(jī)理路徑識(shí)別尚未更新。
本工作旨在清晰全面地闡釋納米限域AOPs在機(jī)理解析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和環(huán)境影響方面的實(shí)際進(jìn)展與獨(dú)特表現(xiàn)，為水處理技術(shù)和催化反應(yīng)器的未來(lái)研究建立可靠標(biāo)桿，力求于材料設(shè)計(jì)和機(jī)理解析層面為下一代實(shí)用AOPs技術(shù)提供啟示與指導(dǎo)。
圖1.圖表摘要
圖2.非均相AOPs體系機(jī)制路徑總結(jié)
圖3.基于尺寸效應(yīng)、限域傳質(zhì)和電子相互作用的納米限域效應(yīng)在非均相AOPs體系中的特異性機(jī)理示意圖
圖4.基于納米限域效應(yīng)的不同AOPs催化劑的構(gòu)型分類(lèi)
圖5.1D/2D/3D納米限域AOPs催化劑性能量化總結(jié)
圖6.膜基納米限域AOPs催化體系性能量化總結(jié)
圖7.不同條件參數(shù)對(duì)傳統(tǒng)AOPs與納米限域AOPs體系性能影響的量化對(duì)比
圖8.限域水行為機(jī)理分析中理論模擬與實(shí)驗(yàn)表征的結(jié)合
圖9.機(jī)器學(xué)習(xí)在納米限域AOPs中的賦能應(yīng)用
相關(guān)工作以“基于納米限域效應(yīng)的高級(jí)水處理技術(shù)”（Nanoconfinement-based catalysis for advanced water treatment）為題，于8月26日在線(xiàn)發(fā)表于《應(yīng)用催化：環(huán)境與能源》（Applied Catalysis B: Environmental and Energy）。
清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院副教授張正華為論文通訊作者，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院2024級(jí)博士生趙笑宇和博士后伊姆蒂亞茲·阿夫扎爾·汗（Imtiaz Afzal Khan）為論文共同第一作者。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、深圳市基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目等的資助。
論文鏈接:
https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2025.125877
供稿：深圳國(guó)際研究生院
編輯：李華山
審核：郭玲
