郭燕/朱永法Nature子刊: 光催化對水中低濃度PFAS近完全脫氟

第一作者：莊美志

通訊作者：郭燕，朱永法

通訊單位：香港大學，清華大學

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

全文速覽

本研究提出一種可見光驅動、無需任何化學添加劑的光催化策略：利用TAPP（四(對氨基苯基)卟啉）聚集體在光照下生成超穩定自由基 TAPP?（空氣中穩定>7天），并通過“連續光激發”獲得強還原電子（E*red= ?2.68 V vs NHE），對水中環境相關低濃度PFAS（0.1 ppm）實現近乎定量脫氟。

背景介紹

PFAS 之所以“難搞”，核心在于：

• C–F 鍵鍵能高、分子呈“螺旋/屏蔽”構型，碳鏈被氟原子靜電屏蔽，極難被攻擊；

• 真實水環境中 PFAS 常是超低濃度（ppt–ppb），難富集、難降解；

• 許多已有脫氟方法依賴高能耗（強UV、超聲、電化學）或外加試劑（亞硫酸鹽、碘離子等），在工程化與綠色性上存在門檻。

因此，一個理想方案需要同時滿足：（1）足夠強的還原驅動力；（2）能在水中持續穩定提供電子；（3）盡量少添加、低能耗。

圖文解析

還原脫氟新思路

圖1：可見光誘導產生強還原電子

這項工作用一個“看似簡單、但非常關鍵”的分子工程點打通瓶頸：

1）用 TAPP 聚集體把自由基“穩住”

TAPP 在聚集態形成有序 π–π 堆疊晶體結構，有利于抑制復合、促進載流子遷移；

更重要的是，TAPP 的外側–NH2通過孤對電子與卟啉HOMO協同重疊實現電荷離域，從而生成并穩定 TAPP? 自由基，其在空氣中表現出數日幾乎不衰減的EPR信號穩定性。

圖2：穩定的TAPP?

2）用“連續光激發”把電子“推到更強還原態”

在可見光照射下經歷三段式過程：

TAPP → TAPP? → TAPP?*

第二次激發把電子抬升到更高能級，得到前所未有的強還原電子：?2.68 V vs NHE，相對 PFOS 推算還原門檻（約 ?2.37 V vs NHE）提供約 310 mV 驅動力，從熱力學上“夠用且有余量”。

關鍵結果：低濃度、無添加、可見光下近完全脫氟

圖3：TAPP聚集體對PFAS的脫氟性能（通過離子色譜檢測氟離子）

在標準條件（0.1 ppm PFAS、無任何添加劑、可見光 λ≥420 nm）下：

• PFOS 在吸附后，隨光照逐步釋放 F-，48 h 脫氟接近理論最大值；

• 對多種 PFAS 具備普適性，尤其對傳統上更難處理的 PFSAs（如 PFOS）也能達到99.8%脫氟；

• 電子捕獲劑（AgNO3）可幾乎完全抑制脫氟，證明核心路徑是“電子介導的C–F斷裂”；

• 多輪循環總計 240 h 后仍保持高效（多次循環>90%），結構表征顯示晶相穩定；

• 產物側：檢測到終產物包括甲酸/草酸/乳酸等，提示經歷連續脫氟與碳鏈斷裂的深度轉化。

有潛力用在真實水環境中

為了回答“能不能用在真實水里”，論文進一步評估了環境適配性：

• 在NOM（腐殖質）存在下仍能保持完全脫氟；

• 在自來水/無機離子體系中會因離子競爭影響吸附，盡管需要更長反應時間（例如延長至約 60 h），但仍可以脫氟；

• 搭建模擬工程流程的連續流反應器，在自然太陽光條件下實現100% PFOS 脫氟。

圖4：該光催化體系的抗干擾

本研究的可借鑒之處

很多PFAS光化學體系“差一點點”——還原電位不夠、或自由基壽命太短、或需要大量犧牲劑“續命”。

這篇文章的關鍵是：先把自由基做成一個“穩定的電荷儲庫”，再用第二次光激發把電子推到足夠高的能級。

于是就出現了一個在水里也能工作、并且在真實環境更接近可用的“強還原光催化”體系。

版權聲明

本文僅用于學術分享，如有侵權，請聯系后臺小編刪除

測試表征+計算+繪圖

【菲常新品】μGAS1001微量氣體反應評價系統不僅結構緊湊，更搭載了智能觸屏，帶來前所未有的便捷操作體驗。它豐富的反應器類型能靈活適配光催化、電催化、光電催化等多種復雜反應！

咨詢熱線：17812516997

點擊詢價