郭燕/朱永法Nature子刊: 光催化对水中低浓度PFAS近完全脱氟

第一作者：庄美志

通讯作者：郭燕，朱永法

通讯单位：香港大学，清华大学

论文DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-026-69933-9

全文速览

本研究提出一种可见光驱动、无需任何化学添加剂的光催化策略：利用TAPP（四(对氨基苯基)卟啉）聚集体在光照下生成超稳定自由基 TAPP•（空气中稳定>7天），并通过“连续光激发”获得强还原电子（E*red= −2.68 V vs NHE），对水中环境相关低浓度PFAS（0.1 ppm）实现近乎定量脱氟。

背景介绍

PFAS 之所以“难搞”，核心在于：

• C–F 键键能高、分子呈“螺旋/屏蔽”构型，碳链被氟原子静电屏蔽，极难被攻击；

• 真实水环境中 PFAS 常是超低浓度（ppt–ppb），难富集、难降解；

• 许多已有脱氟方法依赖高能耗（强UV、超声、电化学）或外加试剂（亚硫酸盐、碘离子等），在工程化与绿色性上存在门槛。

因此，一个理想方案需要同时满足：（1）足够强的还原驱动力；（2）能在水中持续稳定提供电子；（3）尽量少添加、低能耗。

图文解析

还原脱氟新思路

图1：可见光诱导产生强还原电子

这项工作用一个“看似简单、但非常关键”的分子工程点打通瓶颈：

1）用 TAPP 聚集体把自由基“稳住”

TAPP 在聚集态形成有序 π–π 堆叠晶体结构，有利于抑制复合、促进载流子迁移；

更重要的是，TAPP 的外侧–NH2通过孤对电子与卟啉HOMO协同重叠实现电荷离域，从而生成并稳定 TAPP• 自由基，其在空气中表现出数日几乎不衰减的EPR信号稳定性。

图2：稳定的TAPP•

2）用“连续光激发”把电子“推到更强还原态”

在可见光照射下经历三段式过程：

TAPP → TAPP• → TAPP•*

第二次激发把电子抬升到更高能级，得到前所未有的强还原电子：−2.68 V vs NHE，相对 PFOS 推算还原门槛（约 −2.37 V vs NHE）提供约 310 mV 驱动力，从热力学上“够用且有余量”。

关键结果：低浓度、无添加、可见光下近完全脱氟

图3：TAPP聚集体对PFAS的脱氟性能（通过离子色谱检测氟离子）

在标准条件（0.1 ppm PFAS、无任何添加剂、可见光 λ≥420 nm）下：

• PFOS 在吸附后，随光照逐步释放 F-，48 h 脱氟接近理论最大值；

• 对多种 PFAS 具备普适性，尤其对传统上更难处理的 PFSAs（如 PFOS）也能达到99.8%脱氟；

• 电子捕获剂（AgNO3）可几乎完全抑制脱氟，证明核心路径是“电子介导的C–F断裂”；

• 多轮循环总计 240 h 后仍保持高效（多次循环>90%），结构表征显示晶相稳定；

• 产物侧：检测到终产物包括甲酸/草酸/乳酸等，提示经历连续脱氟与碳链断裂的深度转化。

有潜力用在真实水环境中

为了回答“能不能用在真实水里”，论文进一步评估了环境适配性：

• 在NOM（腐殖质）存在下仍能保持完全脱氟；

• 在自来水/无机离子体系中会因离子竞争影响吸附，尽管需要更长反应时间（例如延长至约 60 h），但仍可以脱氟；

• 搭建模拟工程流程的连续流反应器，在自然太阳光条件下实现100% PFOS 脱氟。

图4：该光催化体系的抗干扰

本研究的可借鉴之处

很多PFAS光化学体系“差一点点”——还原电位不够、或自由基寿命太短、或需要大量牺牲剂“续命”。

这篇文章的关键是：先把自由基做成一个“稳定的电荷储库”，再用第二次光激发把电子推到足够高的能级。

于是就出现了一个在水里也能工作、并且在真实环境更接近可用的“强还原光催化”体系。

版权声明

本文仅用于学术分享，如有侵权，请联系后台小编删除

测试表征+计算+绘图

【菲常新品】μGAS1001微量气体反应评价系统不仅结构紧凑，更搭载了智能触屏，带来前所未有的便捷操作体验。它丰富的反应器类型能灵活适配光催化、电催化、光电催化等多种复杂反应！

咨询热线：17812516997

点击询价