通过原子协同Lewis和Brønsted酸位点促进C−F键活化以及全氟污染物完全脱氟

作者：X-MOL     2025-02-27

注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析

全氟化合物（PFCs）因其独特的性质被广泛应用于工业领域。然而，它们的持久性和生物毒性对环境和人类健康构成了重大威胁，是亟待处理的环境污染物。降解PFCs污染物的挑战在于其C−F键的强度，是最强的共价键。尤其是CF4，其具有高度对称的四面体结构以及最强的C−F键（543 kJ mol−1），使其成为大气中浓度最高的PFC，并且具有最大的温室效应。因此，开发一种经济高效的CF4分解方法对于实现可持续未来至关重要且具有重要意义。在CF4污染物降解技术中，催化水解法因其高分解效率、无有毒副产物以及大规模应用的潜力，被认为是最有前景的方法之一。但由于裂解强C−F键所需的高反应温度而面临挑战。

近日，中南大学刘敏教授（点击查看介绍）在全氟污染物中C-F键的活化方面取得重要进展。相关成果发表在国际权威期刊《美国化学会志》（J. Am. Chem. Soc.）上。该研究开发了一种创新的C−F活化策略，通过在原子分散的Zn−O−Al位点上构建协同的Lewis和Brønsted酸对来促进C−F键的活化。以分解典型的PFCs——CF4为例，密度泛函理论DFT计算表明，三配位的Al（AlIII）位点具有路易斯（L）酸性，可以为CF4分子提供稳定的吸附位点；而Zn−OH位点具有布朗斯特（B）酸性，能够与吸附的CF4分子相互作用，从而拉伸并活化C−F键（见图1）。X射线吸收光谱（XAS）、吡啶红外光谱（Py-IR）和氨程序升温解吸（NH3-TPD）证实了在原子分散的Zn−O−Al位点上存在AlIII和Zn-OH。CF4-TPD和原位红外光谱证实，Zn−O−Al位点有利于CF4吸附和C-F键活化。结果表明，具有协同Lewis和Brønsted酸对的Zn−O−Al位点在560 °C的低温下实现了100%的CF4分解，并在超过250 h的时间内表现出出色的稳定性。这项工作为在较低温度下高效活化C−F键和分解CF4提出了一种创新策略。

图1. B酸耦合L酸协同断裂C−F键示意图

这一成果近期发表在J. Am. Chem. Soc.上，文章的通讯作者是中南大学教授刘敏，第一作者是中南大学博士罗文杰。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Promoting C−F Bond Activation for Perfluorinated Compounds Decomposition via Atomically Synergistic Lewis and Brønsted Acid Sites

Wenjie Luo, Kang Liu, Tao Luo, Junwei Fu, Hang Zhang, Chao Ma, Ting-Shan Chan, Zhang Lin, Liyuan Chai, Michelle L. Coote, and Min Liu*

J. Am. Chem. Soc., 2025, DOI: 10.1021/jacs.4c15280

刘敏教授简介

刘敏教授为中南大学博士研究生导师，科睿唯安高被引科学家，四青人才。主持科技部重点研发国际间重点合作项目，基金委面上项目，基金委大科学装置联合项目，湖南省杰出青年基金，湖南省重点研发等一系列项目。以第一作者/通讯作者在Nature, Nat. Catal., Nat. Chem., Nat. Commun.(7), PNAS, JACS(7), Angew. Chem.(16), Adv. Mater.(3), EST(2)等国际著名学术期刊上发表论文200余篇，他引超过30000次，h-因子为84。

https://www.x-mol.com/groups/min_liu

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：本研究的初衷是应对CF4（四氟化碳）对环境的巨大影响：其在大气中可以存在超过50,000年，这对全球大气环境构成了极大的威胁。目前处理CF4所需的温度高，效率差，如何设计合适的催化剂实现高效的CF4分解亟待解决。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：本项研究中最大的挑战是如何精准的设计催化活性位点，以获得优异的性能的催化剂。在这个过程中，我们团队在催化剂设计方面的经验积累起了至关重要的作用。

此外，这项研究属于交叉学科的研究，其中需要不少环境方面的背景知识，而我们的团队主要来源于化学和材料专业，因此在设计面向环境需求的催化剂方面存在知识储备不足的挑战，未来希望有相关领域的研究者一起合作将研究推动到更高的层次。

Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？

A：本研究揭示了CF4分解的关键机制，特别是表面羟基在反应中的作用，为开发高效的CF4分解催化剂提供了理论支持。该研究的成果可广泛应用于环境保护领域，帮助减少CF4等气体的排放。相关催化剂的设计原理也可推广至其他全氟化合物的处理，推动环保催化技术的产业化应用，特别是在工业废气治理、电子废弃物清理等领域具有重要潜力。

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