近日，我院王榮耀博士作為第一作者在化學(xué)領(lǐng)域國際頂級(jí)期刊《Angewandte Chemie International Edition》上發(fā)表了題為“Directional Electron Transfer in Island-Sea Structured Contact-Electro-Catalysis Enables Cascade Defluorination of PFAS”的研究論文。我院陳國柱教授與廈門大學(xué)范鳳茹教授為共同通訊作者。

全氟及多氟烷基物質(zhì)（PFAS）因其極強(qiáng)的C-F鍵能而被稱為“永久化學(xué)品”，對(duì)全球生態(tài)環(huán)境構(gòu)成了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。圍繞這一國際公認(rèn)的治理難題，團(tuán)隊(duì)近年來持續(xù)聚焦于環(huán)境催化過程中界面電子態(tài)的調(diào)控機(jī)制，系統(tǒng)探索通過界面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)電子的高效傳輸與定向利用。在前期研究中，該團(tuán)隊(duì)積累了扎實(shí)的理論與技術(shù)基礎(chǔ)：在Water Research（2025, 287, 124435）文章中闡明了電子金屬-載體相互作用（EMSI）對(duì)電極界面電子轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)的強(qiáng)化機(jī)理；在Chemical Engineering Journal（2025, 519, 164970）文章中構(gòu)建了具備自供電監(jiān)測(cè)能力的Janus結(jié)構(gòu)催化模塊，實(shí)現(xiàn)了能量轉(zhuǎn)化與污染治理的協(xié)同；并在ACS ES&T Engineering(2025, 5, 1844)報(bào)道了壓電驅(qū)動(dòng)異質(zhì)結(jié)體系對(duì)高級(jí)氧化過程的增益效應(yīng)。這些研究從不同側(cè)面揭示了界面電子行為對(duì)環(huán)境催化反應(yīng)路徑與效率的決定性作用。

在本研究中，針對(duì)接觸電致催化（Contact-Electro-Catalysis，CEC）中電子結(jié)構(gòu)不可控及非定向轉(zhuǎn)移的難題，研究團(tuán)隊(duì)巧妙設(shè)計(jì)了一種“島-海”結(jié)構(gòu)的接觸電催化系統(tǒng)。

研究發(fā)現(xiàn)，通過在聚偏氟乙烯（PVDF）基質(zhì)中嵌入原子級(jí)分散的Cu-N4位點(diǎn)，能夠觸發(fā)界面電子轉(zhuǎn)移并誘導(dǎo)PVDF的β相結(jié)晶，從而顯著增強(qiáng)壓電極化和界面電場(chǎng)（IEFs）。這種獨(dú)特的配置通過場(chǎng)發(fā)射效應(yīng)驅(qū)動(dòng)電子從PVDF基質(zhì)定向注入Cu-N4活性中心。富電子的銅位點(diǎn)能夠活化溶解氧生成?O2?，通過親核攻擊誘導(dǎo)C-F鍵極化并斷裂。隨后，系統(tǒng)產(chǎn)生的?OH和1O2協(xié)同作用，將低氟中間體徹底氧化礦化，構(gòu)建了高效的級(jí)聯(lián)還原-氧化路徑。

研究結(jié)果顯示，該系統(tǒng)在溫和條件下實(shí)現(xiàn)了全氟辛酸（PFOA）超過95%的降解率和94.4%的脫氟率，且具有優(yōu)異的穩(wěn)定性。通過原位紅外（FTIR）、電子順磁共振（EPR）、開爾文探針力顯微鏡（KPFM）及密度泛函理論（DFT）計(jì)算，團(tuán)隊(duì)首次揭示了β相誘導(dǎo)的電勢(shì)梯度如何調(diào)控界面電子動(dòng)力學(xué)。該工作不僅為PFAS的無害化處理提供了新技術(shù)，也為分子水平上精準(zhǔn)調(diào)控軟物質(zhì)催化界面的電子遷移提供了通用范式。

該研究得到了國家自然科學(xué)基金（22206057、21976069、52000088）、山東省自然科學(xué)基金（ZR2022QB123）及濟(jì)南大學(xué)學(xué)科交叉匯聚建設(shè)項(xiàng)目專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)的資助。

撰稿：王榮耀          編輯：白雪飛          編審：于龍泉