中国科学院化学研究所光化学院重点实验室研究员马万红及合作者发现，过渡金属离子锚定在共价有机框架材料（COFs）上制备的Lewis酸复合光催化剂，在可见光光照射下可高效、高选择性光-热催化β-内酰胺类抗生素分子水解开环并完全脱羧。与传统的氧化矿化为主的降解路径不同，该催化体系有效避免了水中共存溶解性有机/无机物的干扰，水解产物可生化性显著提高，可通过传统生化处理技术有效去除。
过渡金属离子如Cu2+、Zn2+作为一类常见的均相Lewis酸催化剂，可催化酰胺键、酯键的水解反应，但常温下水解效率低，在实际运行中很难通过加热庞大的污/废水体系来实现消除微量（mg-ng/L）抗生素污染物。该团队发现将Cu2+锚定在带有联吡啶linker的COF材料上，既可保证Cu2+的Lewis酸的催化特性，又拓展了COFs材料在可见光区的光热转化效应，将有限的热能最大限度地集中在Cu2+催化位点上，能够在1分钟内将Cu2+位点局域加热到211℃以上（气/固介质）。该体系在常温水介质中可将催化位点的局域温度升高到60℃，提高了β-内酰胺键催化水解速率。10分钟内的光照即可完成几乎所有的β-内酰胺类抗生素的水解开环，速率比暗反应提高了24倍。与传统的均相Lewis酸催化相比，该体系的水解产物是全脱羧的，具有更低的致畸、致癌以及内分泌干扰等毒性。在共存各种溶解性有机/无机物的水中降解残留抗生素实验表明，Cu2+/COF光热催化剂可实现抗生素的选择性降解，而传统的高级氧化技术如TiO2光催化、O3氧化和Fenton降解方法，由于产生的活性物种不具备选择性，在同样条件下均无法实现目标抗生素降解。
相关研究成果发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上。美国化学会C&EN以One-two punch degrades antibiotics in wastewater为题报道了这一成果。该研究由化学所和北京工商大学合作完成。研究工作得到国家自然科学基金委员会、科学技术部和中国科学院的支持。
2024年1月4日
来源：化学研究所
