1.通過PdAu/TiO2催化劑，以H2、O2的反應進行原位活化，水體細菌、消毒2.高效。水體污染物消除性能比目前商用H2O2技術提高6個數量級，比氯化消毒處理過程的性能提高7個數量級目前全球的水消毒通常通過氯化處理方法實現，該方法中含有化學殘留，因此一種能夠免于形成化學殘留試劑的方法有更大的優勢，雙氧水作為目前廣泛使用的廣譜殺菌劑，有望作為替代性技術，但是這種技術通常難以達到傳統技術的效果。有鑒于此，卡迪夫大學Graham J. Hutchings等報道發現，從空氣和H2作為原料在AuPd催化劑上形成的反應活性氧物種（包括羥基、過氧羥基、超氧自由基），比相同數量的商用過氧化氫消毒效果高107倍，比相同條件下的氯化消除處理過程活性效果高108倍。這種優秀的殺菌滅毒效果是因為催化劑表面氫氣、氧氣分子活化形成較多流動自由基，該方法能作為目前水消毒處理的替代性方案，對于解決水污染、難以獲得飲用水等問題具有非常大的幫助。圖1. AuPd/TiO2 H2+O2反應水體消毒相關網站以“100萬倍水凈化處理性能提高”為題進行亮點報道目前，水消毒的方法包括氯處理、紫外光照射、臭氧處理等方法，其中氯化處理過程產生的副產物具有一定致癌性，因為通過對含有NaCl的廢水電解處理能夠形成氫氯酸（HOCl）、活性氧ROS（[OH·]、[H2O2]、[O3]、[O2·-]）實現殺菌作用。因此人們對不含有化學殘留的綠色水消毒處理方法產生較大興趣，其中通過H2O2作為消毒劑受到關注，而且消毒反應的副產物僅僅為H2O，因此有望替代傳統方法，但是H2O2的殺孢子作用非常有限，因此限制了其作為殺菌劑。目前人們在實驗室中驗證通過AuPd從H2和O2出發直接合成H2O2的過程，該過程能夠實現現場制備H2O2，從而免于H2O2的輸送，直接生成具有殺菌效應的活性氧物種，提高和改善水的循環利用。作者驗證在Pd催化劑中加入Au，是促進H2和O2生成H2O2并且生成活性氧物種的關鍵，生成的活性氧物種比氯化反應、使用H2O2獲得的殺菌/滅病毒效果顯著提高，性能是使用H2O2消毒的6個數量級、氯化處理消毒的7個數量級，能夠抑制形成有助于病原菌存活與繁殖的生物膜，本文研究為發展原位水處理方法提供經驗。作者模擬在不同水品質（改變硬度、無機鹽濃度）中考察對生成H2O2的影響，通過加入Na+, Ca2+, Mg2+, Fe2+, CO32–, NO3–, PO43–, SO42–等離子不會影響生成H2O2的過程。此外由于加入Cl-能夠抑制H2O2的降解，導致H2O2的濃度有所提高。在模型有機污染物2-甲基異莰醇(2-methylisoborneol)、土臭素(Geosmin)、葡萄糖（glucose）的過程中，未發現明顯負面效應。在Pd簇上合成H2O2的過程遵循non-Langmuirian機理，對O2和H2的反應級數分別為零級和一級，催化劑表面的O2-衍生中間體濃度達到飽和，生成H2O2的過程能夠看作質子-電子連續轉移過程，H2氧化反應的化學勢作為該反應的動力。通過DMPO自旋捕獲ESR實驗對反應中生成自由基過程進行檢測。當反應物只有H2，觀測發現H·自由基捕獲過程，說明在催化劑上將發生H2均裂，隨后H·自由基擴散到溶液相；當H2、H2O2作為反應物，未發現反應生成活性氧（ROS）的現象，說明H2裂解反應不會引發H2O2生成含氧自由基；在溶液相中進行合成H2O2的過程中在AuPd上發現自由基物種，因此可以認為H2分子活化后與界面吸附O2反應，而且當同時存在H2、O2時，未在溶液中檢測發現H·。ESR測試結果說明結合在催化劑界面上的中間體能夠以自由基狀態脫附，這種合成H2O2的過程原位形成大量自由基中間體（HO·、HOO·/O2·-），能夠用于細菌細胞降解，自由基的濃度達到0.66±0.04 μM。對比測試發現，當以Pd作為催化劑，未發現捕獲氧自由基物種信號，僅僅發現反應中生成H2O2；當以Au作為催化劑，能夠檢測氧自由基物種信號。隨后作者分別測試AuPd催化劑降解E. coli (Escherichia coli K12 JM109)的性能，在2 % H2/空氣氣氛中，在30 sec內實現了99.999999%的消除能力，降解能力達到其他相關降解技術的性能，包括光-芬頓降解等。同時操作上更加簡單，無需加入H2O2；避免了化學殘留物種，比氯化處理過程更好。此外，AuPd催化降解致病性病毒、微生物生物膜上都能夠很好的進行。作者還驗證發現，通過H2/O2反應生成自由基進行水凈化的過程比相同條件下加入H2O2的性能更有效。AuPd納米粒子的粒徑為2~5 nm，通過XPS驗證Au原子實現對Pd的化學價態進行調控，AuPd中的Pd2+比Pd單獨納米粒子的含量更高，這種混合價態有效改善降解活性，但是并不是展現高催化活性的主要因素。對比測試結果顯示，對于0.5%Au-0.5%Pd/TiO2催化劑，以H2/O2作為反應物捕獲的自由基是200 ppm H2O2反應物的2.5倍；對于捕獲碳中心自由基物種的性能比較，發現H2/O2作為反應物捕獲的自由基是H2O2反應物的3.6倍，因此H2/O2反應物捕獲碳中心自由基的效果更好。作者通過ESR表征結果驗證H2/O2生成的活性氧物種量比H2O2生成的活性氧物種更多，驗證了H2/O2具有更好的降解細菌性能。因為H2O2分解形成自由基的過程需要切斷O-O鍵，反應速率比切斷HOO·自由基的速率更低，因此通過H2/O2形成自由基的過程比從H2O2出發形成活性氧物種更容易。Richards, T., Harrhy, J.H., Lewis, R.J. et al. A residue-free approach to water disinfection using catalytic in situ generation of reactive oxygen species, Nat Catal (2021).DOI: 10.1038/s41929-021-00642-whttps://www.nature.com/articles/s41929-021-00642-wInstant water cleaning method 'millions of times' better than commercial approachhttps://www.eurekalert.org/pub_releases/2021-07/cu-iwc063021.php
