【专家视角】四川大学赖波教授团队SPT综述｜均相高级氧化工艺体系中的配位-氧化协同作用

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（来源：生态修复网）

3月27日，四川大学赖波教授和何传书研究员（共同通讯）在Separation and Purification Technology发表了题为“Coordination-oxidation synergy in homogeneous advanced oxidation processes systems: The critical role of metal-pollutant complexation in redox modulation and process optimization”的综述论文，系统分析了类芬顿高级氧化体系中金属离子-污染物络合物在污染物去除过程中的强化机制。

随着全球工业化进程的加速，工业废水的组成已显著趋于复杂化。这一趋势的特征表现为复杂的污染模式，涉及高浓度的难降解有机化合物（如多环芳烃和卤代化合物）、重金属以及持久性有毒物质。高级氧化工艺（AOPs）凭借其活性氧物种（ROS）的生成机制，已成为克服生物处理限制的关键技术路径，这得益于其非选择性氧化能力。在AOPs中，芬顿工艺利用酸性条件下Fe²⁺与H₂O₂之间的链式反应，生成具有高氧化还原电位的羟基自由基（·OH），能够实现对超过90%有机污染物的非选择性矿化。类芬顿技术作为传统芬顿体系的增强变体，现已扩展到多种催化氧化体系，包括过一硫酸盐（PMS）、过二硫酸盐（PDS）和过氧乙酸（PAA）活化工艺。由于其高效的污染物降解效能，这些体系在废水处理及相关领域展现出广阔的应用前景。金属-有机络合物（MOCs）由普遍存在的水体有机污染物（源自工业、农业和生活源）与无机金属离子（如Mg²⁺、Ca²⁺、Al³⁺）通过络合作用形成，显著改变了污染物的环境行为和毒性。尽管高级氧化工艺（AOPs）能有效降解游离的有机分子，但MOCs络合作用对降解机制的制约影响常被忽视。

本研究证明，在类芬顿体系（如光-芬顿、H₂O₂活化、PMS/PDS活化）中，MOCs通过三种机制显著提升污染物降解效率：（1）加速金属离子的氧化还原循环；（2）降低氧化还原电位；（3）重构自由基（如·OH）生成路径。至关重要的是，金属离子价态/配位模式与污染物官能团/空间结构之间的兼容性，是调控络合行为的关键因素。基于这些认识，本文提出了一种“配位-氧化协同”策略，为设计高选择性非均相催化剂和优化复杂废水处理工艺提供了新范式。未来研究应聚焦于阐明MOCs在不同AOPs中的界面反应机制，并推动协同策略向非均相体系的转化。同时，必须解决关键的工程挑战，包括实际水体多组分基质中的竞争性络合以及催化剂稳定性等问题，从而为水环境修复提供创新解决方案。

结论与展望

金属离子-污染物络合作用正成为高级氧化工艺（AOPs）的前沿研究方向。这一范式重构了氧化剂活化路径与活性物种生成机制，展现出超越传统自由基主导过程的优势。尽管抗生素-金属配位已在医药领域得到应用（例如铜(II)-青霉素络合物通过提升膜渗透性增强抗菌活性），但其在类芬顿体系中的调控潜力直至近年才被系统揭示。此类络合作用的核心意义在于三大突破：（1）络合物调控金属中心电子结构，开辟污染物降解新路径；（2）配位-氧化协同降低反应能垒，同时依据水体基质特性定制自由基/非自由基路径；（3）均相络合机制指导智能多相催化剂设计。表面缺陷工程可精准复现配位微环境，配体到金属电荷转移（LMCT）效应则能增强界面催化活性。这些进展深化了对络合介导氧化机制的理解，推动水处理技术从随机降解向选择性转化的范式转变。

尽管污染物-金属离子络合在强化AOPs方面已显示出潜力，其实际应用仍面临机理与技术制约：（1）复杂基质中多组分竞争降低目标污染物降解效率。需发展序贯氧化策略，利用络合物稳定性差异，通过预氧化破坏竞争性配位以释放活性金属位点。同时需开展选择性配位设计，例如基于污染物官能团开发分子印迹多相催化剂。（2）高价金属物种的形成路径尚不明确，特别是缺乏将异裂能垒与配位微环境关联的原位验证。此外，非自由基路径的选择性调控仍需深入探索。（3）工业废水中络合物稳定性增强（重金属-有机配体络合物稳定性比游离离子高4-6个数量级），限制了传统混凝/吸附法的去除效果。残留络合物在紫外照射下可能生成毒性更强的卤化副产物。因此，发展络合-氧化协同技术需建立络合常数与氧化剂类型的匹配规则，并结合生命周期评估（LCA）量化不同场景下络合介导降解过程的碳足迹增量与生态毒性，最终实现效率-安全-可持续性的多目标优化。

未来污染物-金属离子络合研究应聚焦多维突破：（1）融合多学科方法（配位化学、材料科学、环境工程），阐明分子尺度络合机制，开发刺激响应催化剂，建立工艺优化数据库，推动废水处理从被动氧化向靶向设计的范式升级。（2）构建“污染物A-金属-污染物B”降解体系，利用络合物自催化特性实现混合污染物协同去除。（3）设计具有双功能位点（络合-活化）的载金属多相催化剂，针对含特定官能团污染物实现靶向吸附与降解。（4）通过催化剂表面与污染物配体空间构型（如氨基/羧基）匹配的互补配位结构，增强选择性络合能力。（5）采用pH响应吸附剂（胺功能化MOFs）与电化学氧化技术破解金属-配体键，以应对次级络合（如邻苯醌/草酸盐与金属离子结合）问题，实现络合物解离与金属回收。（6）通过副产物毒性（卤化中间体、残留络合物）的QSAR模型系统评估生态风险，并实施金属回收（电沉积/离子交换）以避免二次污染。（7）运用机器学习（图神经网络）预测关键参数（金属-配体结合能、自由基产率），建立定量构效模型以高通量筛选高效络合体系。