分子氧（O₂）的活化在绿色化学和环境修复中至关重要，但其固有惰性限制了实际应用。传统铜基催化剂因金属负载低、稳定性差及活性位点聚集等问题，难以高效激活O₂。开发新型CuO_x@Al₂O₃催化剂，解决O₂活化效率低、氧化剂利用率不足等问题，可为污染物降解提供可持续解决方案。

2025年5月15日，我院黄海保教授课题组在环境科学与生态学1区期刊Environmental Science & Technology上发表题为“Electron-rich CuO_x@Al₂O₃ Catalyst for Sustainable O₂ Activation in Fenton-Like Reactions”的研究论文，开发了一种高效稳定的CuO_x@Al₂O₃催化剂，论文第一作者为博士研究生肖菲。

研究通过离子交换逆负载法合成电子富集型(CuO_x@Al₂O₃)催化剂，结合实验与DFT计算，探究其对O₂和H₂O₂的活化机制。发现该催化剂通过加速Cu⁰/Cu⁺/Cu²⁺氧化还原循环，实现85%的氯苯去除率，显著高于传统(CuO_x@Al₂O₃)的45%。Cu-Cu活性位点促进电荷转移，削弱O-O键，协同生成·OH和O_2^⁻，氧化剂利用率提升。催化剂具有均匀介孔结构（BET比表面积78.9m²/g）和稳定的金属-载体相互作用，Cu离子浸出仅0.11 mg/L。Al₂O₃负载稳定了低价位Cu活性位点，实现温和条件下高效ROS生成，对气相VOCs（如苯乙烯、甲苯）和液相污染物（抗生素、酚类）均有优异降解效果。

图1  CuO_x@Al₂O₃的制备过程示意图（a）。CuO_x@Al₂O₃的SEM图（b）、HRTEM图（c-d）及对应的选区电子衍射图（e）。CuO_x@Al₂O₃的HAADF-HRTEM图及EDS元素分布图（f）。不同样品的N₂吸附-脱附等温线（g）和XRD图谱（h）

图2  不同反应体系中氯苯的降解情况(a-b)。不同自由基清除剂对CuO_x@Al₂O₃降解氯苯的影响(c)。CuO_x@Al₂O₃/H₂O₂/O₂体系中•OH和O₂•^-的EPR谱图(d-e)。CuO_x@Al₂O₃、CuO@Al₂O₃和CuO_x的Nyquist曲线图(f)与CV曲线(g)。CuO_x@Al₂O₃/O₂体系（无H₂O₂）中•OH和O₂•^-的EPR谱图(h-i)。（[氯苯]₀=30 ppmv，[催化剂]₀=0.08 g·L⁻¹，[H₂O₂]₀=10 mM，[TBA]₀=100 mM，[p-BQ]₀=50 mM，[TEMP]₀=0.10 mM，[AgNO₃]₀=0.20 mM，T=25℃，pH=7）

图3  CuO_x@Al₂O₃在有无H₂O₂条件下O₂的对应COHP图(a-b)。CuO_x@Al₂O₃/H₂O₂/O₂体系中氯苯的催化机理示意图(c)及活性氧物种（ROS）参与的催化降解路径(d)

该研究成功开发了一种高效稳定的CuO_x@Al₂O₃催化剂，通过电子结构调控和金属-载体协同作用，显著提升O₂活化效率及氧化剂利用率。结合实验与理论阐明了Cu-Cu位点促进ROS生成的机制，为设计绿色催化体系提供了新思路，推动了可持续环境修复技术的发展。

文章DOI：https://doi.org/10.1021/acs.est.5c02193