光电催化降解含氟有机污染物研究方面取得新进展(Progress in research on photoelectrocatalytic degradation of organofluorine pollution)

A synchronous defluorination-oxidation process for efficient mineralization of fluoroarenes with photoelectrocatalysis

Haibo Chi, Wangyin Wang, Jiangping Ma, Ruizhi Duan, Chunmei Ding, Rui Song, Can Li*

Chinese J. Catal.

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1872206723645590

Fluoroarene (FA) derivatives are persistent, toxic, and bioaccumulative pollutants, which pose severe risks to ecosystems and human health. Efficient cleavage of C–F bonds and complete mineralization of defluorinated intermediates are the keys for the deep treatment of FAs due to the high dissociation energy of C–F bonds and the high stability of aromatic rings. Herein, we report a synchronous defluorination-oxidation process using a photoelectrocatalytic device with a TiO₂ photoanode, in which FAs are selectively cleavage of C–F bonds by photolysis and subsequently efficient oxidized by on-site generated •OH radical. Complete defluorination and mineralization (both over 99.9%) of 4-fluorophenol are achieved under irradiation at 1.0 V_RHE in 120 min, the apparent reaction rate constant is 14.4 g h⁻¹ m⁻². This synchronous defluorination-oxidation process provides an efficient and practical technique for the mineralization of FAs in wastewater under mild conditions.

近日，我组李灿院士及联合培养博士研究生池海波在光电催化环境修复研究方面取得新进展。团队以废水中环境持久性有机氟污染物研究目标，发展了一种温和且高效的降解废水中氟芳烃类污染物的策略，发现紫外光解脱氟耦合光电催化氧化的协同降解路径，可高效地实现氟苯酚等多种氟芳烃化合物的完全脱氟和有机碳矿化。

氟芳烃类化合物被广泛应用于医药、农药、液晶材料制备等诸多领域，伴随着其广泛的生产和使用，在全球多个地区均出现不同程度的氟芳烃水污染问题。氟芳烃类化合物的生物毒性及环境持久性来源于分子结构中氟原子的强电负性、C‒F键的高解离能以及芳环结构的强稳定性, 而常规的降解方法存在应用条件苛刻（惰性气氛、贵金属催化剂）、有毒含氟中间体残留（存在有机氟烷烃）以及有机碳矿化不完全（存在脂肪酸等中间体）等问题。因此, 对实现废水中典型的氟芳烃类化合物如氟苯酚、氟苯甲酸以及氟喹诺酮类分子的绿色温和的有效降解非常重要且极具挑战。

本工作中，针对氟芳烃分子的结构特点，设计一种在温和条件下可以同时促进脱氟和有机碳矿化的降解策略。通过构建光电催化体系，利用紫外光实现氟芳烃分子的自活化，其自发光解过程可实现C‒F键有效断裂，所生成的脱氟中间体进一步通过原位产生的强氧化性活性物种如•OH自由基等实现彻底的有机碳矿化。对于4-氟苯酚模型溶液，其表观降解速率可达14.4 g h⁻¹ m⁻²，并实现4-氟苯酚完全脱氟及有机碳矿化。此外，该光电催化体系在不同pH环境（0‒2）、外加偏压（0.5‒1.5 V_RHE）、氟芳烃浓度（10‒200 ppm）以及照射光源（氙灯、汞灯和LED灯）条件下均具有良好的降解效果，并可拓展至其他常见的氟芳烃类化合物如诺氟沙星等含氟医药分子的降解。该工作还进一步构建了实验室小试装置，实现了模拟工业条件下氟芳烃废水的彻底矿化，实证了基于光电催化的脱氟-氧化过程具有潜在的应用前景。该工作为有机氟化工废水处理提供了一种温和高效、环境友好的技术路线。

相关研究成果以“A synchronous defluorination–oxidation process for efficient mineralization of fluoroarenes with photoelectrocatalysis”为题，于近日发表在Chinese J. Catal.上。该工作的第一作者是与中科大联合培养博士研究生池海波。以上工作得到基金委人工光合成基础科学中心和国家重点研发计划等项目的资助。（文/图 池海波）

文章链接：

https://doi.org/10.1016/S1872-2067(23)64559-0