科学家借助量子化学实现了无氯水消毒

研究揭示高压环境下氧化锡臭氧催化剂失效原因。

美国科学家在保障医院及水处理设施获得更安全的无氯消毒用水方面取得重要进展，成功揭示了前景广阔的臭氧生成催化剂随时间降解的原因。匹兹堡大学的研究人员与德雷塞尔大学及布鲁克海文国家实验室的团队合作，揭示了按需生成消毒剂臭氧的催化剂关键设计原理。

研究团队运用量子化学方法，发现了催化剂表面微观缺陷如何同时促进臭氧生成并引发导致失效的腐蚀现象。该发现为设计更耐久的无氯水处理系统提供了方向。

匹兹堡大学R.K. 梅隆教职研究员约翰·基思表示："这项工作证明了基础科学与工程如何结合，以解答长期存在的科学问题，并为改进水和卫生技术开拓新途径。"

催化剂的隐性损伤

氯是目前市政饮用水、医院及工业设施的主要消毒剂，但这种高活性的黄绿色卤素元素存在明显缺陷：不仅运输储存危险，与有机物反应还可能产生潜在致癌副产物。相比之下，臭氧作为一种强效消毒剂，可分解为氧气而不遗留长期化学残留。

通过合适催化剂，电解水可生产更安全、可持续的臭氧，但对臭氧形成催化剂工作原理的认识不足阻碍了技术发展。研究团队通过精确识别促进臭氧生成或引发腐蚀的表面缺陷，明确了稳定型下一代催化剂所需特性。

基思在新闻声明中指出："在极端电解条件下，可能引发振奋人心的化学反应，但催化剂也可能更快失效。在我们研究的氧化物催化剂中，促进臭氧生成的物质矛盾地同时抑制其形成。"

研究人员发现驱动臭氧形成的表面特征同样加速催化剂分解后，开始着手设计可避免腐蚀的臭氧生成位点。

无氯臭氧生成技术

镍锑共掺杂氧化锡（NATO）一直被视为电解法臭氧生成中最安全、最具成本效益的方案，但其过快降解速度限制了广泛应用。

前化学工程博士生赵凌燕的计算工作为揭示NATO催化剂快速失效机制提供了线索。德雷塞尔大学博士生研究员拉扬·阿拉菲通过大量实验验证了赵凌燕的分析结果。

阿拉菲系统研究了不同表面结构对臭氧产量与降解速率的影响，结果表明催化剂性能取决于活性与稳定性之间的核心平衡关系，未来设计必须精细调控这一平衡。

研究团队相信该发现将对水处理领域产生重要影响。直接在水中生成臭氧的消毒系统有望消除危险化学品的运输储存需求。

据报道，这种创新方法可提升医院、市政设施及偏远地区的安全性，同时减少氯基处理产生的有害副产物。

该研究已发表于《ACS催化》期刊。

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