近日，环境科学与工程学院张亚雷教授团队在《自然·通讯》（Nature Communications）发表题为“Water decontamination via nonradical process by nanoconfined Fenton-like catalysts”的研究论文，提出了非均相类芬顿氧化技术中自由基向非自由基调控的新策略。该研究制备了一种钴元素介导的碳纳米管催化材料，通过纳米尺度的限域效应精准调控局域反应环境，优化有机污染物氧化降解路径；揭示了污染物的非自由基降解机制，实现了宽pH范围下有机污染物的高效选择性降解，为进一步推动选择性氧化水处理技术的应用提供了技术支撑。

全球水污染和水危机问题引发了探索可持续水净化技术的兴趣。非均相类芬顿氧化技术由于操作便捷、净化彻底等优点，被认为是极具前景的水处理技术。然而，非均相类芬顿氧化污染控制技术面临反应传质受限、纳米催化剂合成和应用过程中易团聚及渗滤等问题的挑战。在工程应用中，非均相类芬顿氧化技术由于主要活性物质寿命短（10^-6-10^-9 s）、受水基质消耗严重，从而导致活性物质有效利用率低。因此，打破非均相类芬顿氧化反应中活性物质的传质限制、提高反应选择性、拓宽反应条件，是该技术突破应用瓶颈的关键着力点。

针对上述问题，张亚雷教授团队采用空间纳米限域为核心策略，将短寿命活性物质和目标污染物封装在纳米级扩散长度内，实现在纳米尺度上改造微观反应环境，以提高活性物质在非均相类芬顿氧化反应中的有效利用效率。碳纳米管具有良好的内部空心腔结构和独特的电子调谐特性，为纳米限域环境提供了理想的微观环境。在纳米限域空间内实现了对污染物的高效富集，同步优化了反应路径生成单线态氧，展现出超高污染物降解效率与选择性。在实际废水处理过程中，壳层和核壳结构利用尺寸排斥效应阻碍环境水体中大分子干扰物进入到碳纳米管内部，此外稳定的碳层保护了内部金属的渗滤，展现极强抗环境干扰能力和选择性。

研究进一步构建了新型传质-化学动力学模型，结合DFT理论计算表明，碳纳米管表面和内部离域π电子改变电子的传输特性，限域效应导致体系价电子结构的改变，引起量子突变，降低了整体的限域反应能级，从而改变了催化反应路径。同时，污染物分子和活性物质在碳纳米管限域通道内快速传输，降低了分子在溶液中的无序扩散，有利于污染物分子和活性物质的富集，从热力学上促进氧化过程，缩短反应时间，最终实现了快速高效和高选择性的限域催化反应。该研究以污水低碳化处理的需求为导向，解决了传统非均相类芬顿氧化技术“效率低”、“选择性差”、“条件苛刻”等关键难题，有望推动新型非均相类芬顿氧化技术的发展，同时也为绿色水处理技术研究提供了新思路。

张亚雷教授、陈家斌教授为论文通讯作者，环境科学与工程学院博士研究生刘统才为论文第一作者。相关研究工作获得了国家自然科学基金优秀青年科学基金项目、上海市科技创新行动计划项目和中央高校基本科研业务费的资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-38677-1