零价铁去除水中(类)金属(含氧)离子技术发展的黄金十年(2011-2021)

应用零价铁(ZVI)去除水中(类)金属(含氧)离子是近年来研究的热点。在ZVI除污染过程中,同步提升ZVI除污的反应活性与电子效率对该技术进一步推广应用至关重要。本文综述了近十年(2011-2021年)ZVI的提升技术,主要涉及硫化、外加弱磁场、投加Fe²⁺、投加氧化剂以及其他新型技术。从不同体系广谱研究以及单一体系具体研究的角度,系统分析了这些技术对ZVI去除含氧水体中(类)金属(含氧)离子的反应活性、去除容量、电子效率的提升表现及作用机制。最后,对ZVI技术未来的研究方向作出了展望,以期促进ZVI技术的进一步完善与发展。本文有望为增强零价铁去除污染物的实际效能提供新的探索方向并完备相关理论基础。     

硫化零价铁去除水中污染物的效能及交互机制

如何同步提升零价铁去除水中污染物的反应速率和电子选择性已成为近年研究热点。基于无氧体系下硫化能通过抑制零价铁与水之间的副反应而改善体系还原除污染物效能,系统概括了不同硫化方式、硫化药剂和硫化程度合成的硫化零价铁理化特征,并揭示了其与硫化零价铁在不同水氧环境下去除不同污染物反应活性和电子选择性的交互机制。硫化能够主要通过调控界面亲疏水和导电性能而实现改善零价铁除污染的效能,其提升表现主要依赖于硫化程度,而与硫化方式、硫化药剂相关性较低。最后,展望了基于硫化零价铁的水污染控制技术在地下水修复和工业废水处理的应用前景。     

负载零价铁膨胀石墨的合成及对水中NO3-去除的效果与机制

以网络状孔型结构发达的膨胀石墨（EG）为载体,采用化学沉积法制备了负载零价铁（ZVI）的膨胀石墨（EG-ZVI）.利用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）仪及X射线光电子能谱仪（XPS）等对负载及反应前后的EG-ZVI进行表征,探究了EG-ZVI对硝酸根（NO₃^-）的去除效果并对其反应产物及机理进行了分析.结果表明,亚微米级零价铁已负载到EG石墨表面,且分布均匀;与EG相比,EG-ZVI对NO₃^-的去除能力显著提升,其去除率是EG的2.3倍.得益于铁碳原电池效应,EG-ZVI对pH依赖性比零价铁低,即使在pH=9的条件下,NO₃^-去除率依然能达到65%以上,是单独用零价铁处理时的1.83倍;EG-ZVI去除NO₃^-是吸附和还原过程共同作用的结果,符合三级动力学模型,其还原过程由负载在EG表面的零价铁发生腐蚀提供电子,从而还原NO₃^-产生以NH₄⁺-N为主的含氮化合物;EG-ZVI对NO₃^-具有较强的还原吸附作用,并能解决零价铁在反应过程中生成惰性层或金属氢氧化物导致去除效率低的缺陷,使其在含NO₃^-废水的处理中具有较高的应用潜力.     

球磨微米硫化零价铁活化双氧水降解有机污染物的研究

报道了机械球磨方法制备的微米硫化零价铁（S-ZVI）可以快速活化H₂O₂降解各类有机污染物.S-ZVI/H₂O₂降解苯酚的单位比表面积反应速率常数是ZVI/H₂O₂的5倍以上,且苯酚的降解不存在初始抑制阶段.探针化合物乙醇的淬灭反应结合电子顺磁共振（EPR）实验证明S-ZVI/H₂O₂体系产生的氧化活性物质为·OH.反应前后S-ZVI颗粒的扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）表征结合电化学测试和苯酚降解结果表明S-ZVI中FeS取代ZVI表面的钝化膜（铁氧化物）,加速了电子从Fe⁰传递到H₂O₂,更快地释放Fe²⁺,引发Fenton反应.在这过程中FeS主要作为电子的导体而非Fe²⁺的释放源.     

基于零价铝的氧化/还原技术在水处理中的应用

利用零价金属(ZVMs)处理环境污染物一直是环境治理领域的研究热点,其中以零价铁(ZVI)的研究最为广泛。近年来,零价铝(ZVAl)因其具有比ZVI更低的氧化还原电位(E⁰(Al³⁺/Al⁰)=-1.662 V, E⁰(Fe²⁺/Fe⁰)=-0.44 V)及其两性性质(反应pH可以拓展到碱性)而开始受到关注。目前环境领域关于ZVAl的研究主要集中于两类:以零价铝/氧/酸(ZVAl/O₂/H⁺)体系为核心的氧化体系和以零价铝/无氧(ZVAl/anaerobic)体系为核心的还原体系,其中前者因原位产生过氧化氢构成类Fenton氧化体系而备受关注。研究已发现,基于ZVAl的氧化/还原技术可有效去除酚类、偶氮染料、有机卤化物等有机污染物和Cr(Ⅵ)、As(Ⅲ)等无机污染物,且超声、微波、外加多金属氧酸盐(POM)、Fe²⁺等辅助手段对该技术有一定辅助效果。本文分别就基于ZVAl的氧化体系和还原体系,对其反应机理及去除水中污染物的国内外最新研究进展进行了综述和展望,以期促进ZVAl水处理技术的发展。铝作为地壳中最丰富的金属元素,ZVAl不存在像ZVI高pH值时产生沉淀的问题,相信随着ZVAl表面氧化膜这一制约因素的逐渐解决,其在水处理领域将有更广泛的应用。     

硫化纳米零价铁去除水体污染物的研究进展

纳米零价铁（NZVI）作为一种原料来源广泛的环境污染修复剂,被广泛应用于地下水和废水等水环境污染修复领域中.尽管这种材料具有反应活性优异、成本低和毒性低的特点,但又面临着自身性质带来的在原位修复和储存等方面的局限.在提高其在水环境中的实际应用潜力的改性方法中,硫化作用成为近10年来的一个研究热点,这也意味着NZVI改性的研究重点从提高NZVI反应活性转移到提高电子的选择性上.硫化型NZVI的制备方法各异,制备方法主要为化学法.这些硫化型材料被大量应用于水体有机污染物降解和重金属去除的研究中来考察它们的实际反应活性,其与水体污染物在不同环境体系下的反应机制也被深入研究.其中,根据硫化型NZVI降解污染物种类和反应条件的不同,大致可以分为吸附、还原和氧化这三大类.尽管目前硫化型NZVI的实际应用仍面临着较多的局限,但是在提高反应活性和电子选择性等方面突破巨大.深入地梳理硫化型NZVI的反应性能和其去除水体中污染物的反应机制的研究进展能够为未来硫化型NZVI的研究指明发展方向.由于硫化型零价铁的优异性能,该材料和相关的硫化铁系材料将会逐步成为环境修复领域的重要材料分支,具有潜在的发展前景.     

C120O-和C120O2-的电子结构的理论研究

用INDO系列方法对双笼氧化物C₁₂₀O的负离子C₁₂₀O^-和C₁₂₀O^2-的电子结构进行了理论研究.结果表明:C₁₂₀O^-和C₁₂₀O^2-中负电荷平均分布在两个碳笼上,而O的单电子自旋密度几乎为零,离子中两碳笼有较弱的相互作用,C₁₂₀O^2-的基态为三态.     

微生物电化学系统电子中介体

电化学活性微生物与电极之间的胞外电子传递在微生物电化学系统(microbial electrochemical systems,MESs)产能、生物修复等功能的实现中起着关键作用.目前,研究者对微生物胞外电子传递机理了解有限,限制了MESs的应用.相比于需要微生物功能蛋白与电极接触才能发生的直接电子传递,间接电子传递可通过具有可逆氧化还原活性的电子中介体(electron transfer mediators,ETMs)实现电子的传递,从而有效提高微生物胞外电子传递效率.在间接电子转移过程中,ETMs起着中间电子受体和中间电子供体的作用,即被还原后可将电子传递给最终电子受体并被重新还原;理论上每个ETMs分子可以循环数千次,因此ETMs对特定环境下终端氧化物(如铁离子)的循环有着极其显著的作用.本文系统总结了MESs中ETMs及间接电子传递机制近年来的研究进展,并且在此基础上探讨了ETMs在MESs中的研究趋势,以期推动MESs在生物修复、能源生产方面的实际应用.     

纳米零价铁复合材料制备、稳定方法及其水处理应用

纳米零价铁(nZVI/Fe⁰)因极高的催化活性和经济适用性备受关注,但实际推广中受团聚性和空气不稳定性等限制。为解决这些问题,近年来国内外学者研究开发了系列纳米零价铁的复合材料和稳定方法,在制备方法、基体材料和环境修复方面均有了较大进展。本文对近五年的研究成果进行汇总,从复合载体研究、稳定方法和水环境应用三个方面对纳米零价铁复合材料研究进行较全面的综述和展望。在纳米零价铁负载方面,本文对聚合物载体、黏土矿物、碳材料和金属氧化物载体的相关研究进行了总结;在颗粒稳定性方面着重讨论了复合金属、表面涂层、硫化方面的新成果;在水环境应用方面,本文指出纳米零价铁主要通过吸附、还原、络合、共沉淀、电化学反应、(类)芬顿氧化等过程实现水中的重金属以及有机物的去除,光、热、电、超声、微波的引入可显著增强水体中污染物的处理效果。     

纳米零价铁活化分子氧原理及降解有机污染物性能增强策略

纳米零价铁直接还原降解有机污染物运行长效性差,且不能矿化有机污染物.利用纳米零价铁还原活化分子氧生成活性氧物种可以氧化甚至矿化有机污染物.在最近的研究中,作者提出了纳米零价铁活化分子氧的双途径机理,即铁核电子转移到氧化铁壳表面的双电子还原活化分子氧途径和氧化铁表面结合态亚铁离子的单电子还原活化分子氧途径,阐释了纳米零价铁核壳结构依赖的分子氧活化降解有机污染物性能机制及性能增强策略.证实在纳米零价铁活化分子氧体系添加少量亚铁离子能在零价铁表面形成更多的结合态亚铁,显著增强纳米铁表界面活性氧物种生成量;同时,在纳米零价铁活化分子氧体系中引入少量有机或无机配体亦可提高活性氧物种产生效率,从而增强有机污染物降解性能.最后讨论了典型环境因素如pH值、共存离子、天然有机物等影响纳米零价铁活化分子氧降解有机污染物性能的规律.     

Organic Electron Donors as Powerful Single‐Electron Reducing Agents in Organic Synthesis

One‐electron reduction is commonly used in organic chemistry for the formation of radicals by the stepwise transfer of one or two electrons from a donor to an organic substrate. Besides metallic reagents, single‐electron reducers based on neutral organic molecules have emerged as an attractive novel source of reducing electrons. The past 20 years have seen the blossoming of a particular class of organic reducing agents, the electron‐rich olefins, and their application in organic synthesis. This Review gives an overview of the different types of organic donors and their specific characteristics in organic transformations.     

电子穿梭体介导的微生物胞外电子传递:机制及应用

厌氧条件下微生物将电子传递给胞外电子受体的现象非常普遍,电子穿梭体(electron shuttle,ES)是介导胞外电子传递过程的重要途径之一,但其具体的机制尚未明晰。一部分微生物自身能分泌一些物质作为内生ES,另一部分微生物能利用天然存在或人工合成的某些物质作为外生ES,并将其携带的电子传递至微生物胞外电子受体。ES介导微生物胞外电子传递的基本过程为:氧化态电子穿梭体(ES_ox)接受电子变成还原态(ES_red),ES_red传递电子给胞外电子受体,自身再次氧化成ES_ox,从而循环往复。本文重点介绍不同种类ES及其电子穿梭机制,以及ES的分子扩散、氧化还原电势及电子转移能力对胞外电子传递过程的影响。ES介导的胞外电子传递过程直接影响污染物转化和微生物产电,因此在污染修复及生物能源等方面具有重要的应用前景。     

Electron tunneling in proteins program

We developed a unique integrated software package (called Electron Tunneling in Proteins Program or ETP) which provides an environment with different capabilities such as tunneling current calculation, semi‐empirical quantum mechanical calculation, and molecular modeling simulation for calculation and analysis of electron transfer reactions in proteins. ETP program is developed as a cross‐platform client‐server program in which all the different calculations are conducted at the server side while only the client terminal displays the resulting calculation outputs in the different supported representations. ETP program is integrated with a set of well‐known computational software packages including Gaussian, BALLVIEW, Dowser, pKip, and APBS. In addition, ETP program supports various visualization methods for the tunneling calculation results that assist in a more comprehensive understanding of the tunneling process. © 2016 Wiley Periodicals, Inc.     

Dissociative Electron Attachment to Hexachlorobenzene

Gas phase molecules of hexachlorobenzene (C₆Cl₆) were investigated by means of dissociative electron attachment spectroscopy (DEAS). Three channels of molecular negative ions decay have been identified: abstraction of Cl⁻ and Cl₂⁻ as well as electron detachment (τ_a∼250 μs at 343 K). All three channels exhibit temperature dependence. The adiabatic electron affinity estimated using a simple but typically accurate Arrhenius model (EA_a=1.6–1.9 eV) turns out to be much higher than the quantum-chemical predictions (EA_a=0.9–1.0 eV). We discuss the possible reasons behind the observed discrepancy.     

Electron energy loss spectrometry mapping

Among electron beam microanalytical techniques, electron energy loss spectrometry (EELS) offers unique advantages in terms of information content, sensitivity, limits of detection. This paper describes new methods and tools for acquiring families of spectra over many pixels on the specimen, i.e. spectrumimages, and for processing them. Applications in different fields of research, both in materials science and in life sciences, demonstrate the potential impact of the technique for characterizing nano-sized structures.     

电子的发现与化学键电子理论的发展

1892年,荷兰物理学家洛伦兹通过创建电子论,为原子内部电子的发现提供了理论基础。1897年,英国物理学家汤姆逊从阴极射线中发现了自由电子,打破了原子不可分的传统观念,由此引发了卢瑟福、玻尔等人对原子内部结构的探索。同时,化学家们将物理学中的电子引入化学,开始用原子结构中的电子来解释化学行为,提出了化学键的电子理论,推动了化学键理论的发展。     

Polymerization Initiated by Organic Electron Donors

Polymerization reactions with organic electron donors (OED) as initiators are presented herein. The metal‐free polymerization of various activated alkene and cyclic ester monomers was performed in short reaction times, under mild conditions, with small amounts of organic reducing agents, and without the need for co‐initiators or activation by photochemical, electrochemical, or other methods. Hence, OED initiators enabled the development of an efficient, rapid, room‐temperature process that meets the technical standards expected for industrial processes, such as energy savings, cost‐effectiveness and safety. Mechanistic investigations support an electron‐transfer initiation pathway that leads to the reduction of the monomer.     

Electron transfer networks

In this paper, we study electron transfer networks. These are generalisations of electron transport chains, and consist of a set of substrates which can exist in reduced and oxidised forms. The reduced forms can transfer electrons to the oxidised forms, and there are some electron inflow and outflow processes. We show that under mild assumptions, such systems can have only very simple behaviour, with a single globally stable equilibrium. To prove this we show that the Jacobian of the system has negative logarithmic norm in an appropriate norm. From this result, uniqueness and global stability of any equilibrium follows. The results extend, with only minor modifications, to binary interconversion networks, where the only allowed reactions are interconversions between substrates, and inflow/outflow processes.