中国科大康彦彪教授研究团队开发了一种利用超级电容器辅助的电光还原催化体系，为解决由聚四氟乙烯和PFASs降解困难引发的环境问题提供了更多的可能。该项成果于3月13日在线发表于《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）。

聚四氟乙烯因其惰性的碳-氟键具有优异的热稳定性和化学稳定性，同时也具有疏水和疏油等特性，因而被广泛应用在各个领域。但高度的稳定性也导致废弃的聚四氟乙烯难以降解回收；通常需要高能耗的热裂解等方法，而低温条件下的脱氟降解则需要用液态碱金属等强还原剂实现。

光催化可以在温和的条件下实现传统方法无法实现的化学转化，为聚四氟乙烯的降解提供了新的可能。然而，目前利用可见光催化体系对聚四氟乙烯进行处理，脱氟率小于5%（Angew. Chem. Int. Ed. 2024, 63, e202408687）。

康彦彪教授团队一直致力于惰性碳-杂键等的活化断裂研究，在此研究基础上，发展了基于扭曲咔唑结构的高效光催化体系，光还原催化剂的扭曲结构导致其具有优异的单电子转移能力，从而实现了一系列聚四氟乙烯等一系列稳定分子中惰性碳-杂键的断裂转化（Nature 2024, 635, 610）。但是在这一过程中，由于聚四氟乙烯疏水、疏油、不溶于几乎所有的有机溶剂，并且助还原剂溶解性差导致用量高；因此，反应体系为多种固体和液体混合的多相反应体系。而对于光反应而言，大量不溶固体的存在降低了光的透过性，这就导致该反应对光源和体系的分散程度要求极高，对开展大规模的反应不利。

为了解决上述问题，研究团队开发了一种利用超级电容器辅助的电光还原催化体系：利用电化学的方法辅助生成光催化活性物种，取代光催化反应中溶解性极差的助还原剂。通过光化学和电化学的协同作用，对聚四氟乙烯的碳-氟键进行有效的电子注入，从而实现了在温和条件下的聚四氟乙烯还原脱氟反应。这一电光还原催化体系的发展，有效避免了单独光催化还原体系中需要过量的助还原剂作为电子供体这一问题；并且将反应的规模由毫克级进一步提升到了克量级。同时该催化体系对于其他小分子的多氟或全氟烷基物质（PFASs）的脱氟也具有良好的适用性。此外，超级电容器具有充电速度快、工作效率高、能量比高、耐超高温、循环使用寿命长等特点，因此利用具有便携性的超级电容器作为电能的供体，可以在户外以太阳光作为光能量源，实现对聚四氟乙烯的脱氟反应。这为解决由聚四氟乙烯和PFASs降解困难引发的环境问题提供了更多的可能。

在这一研究中，采用了包括拉曼光谱、X射线光电子能谱、固体核磁共振、傅里叶变换红外光谱等多种测试手段对聚四氟乙烯脱氟的固体产物进行表征，确认其中含有脂肪结构、芳香结构及含氧官能团，并且具有有规则的碳结构（拉曼G峰）和无规则的碳结构（拉曼D峰）。结合脱氟后的固体产物结构、反应中观测到的副产物等实验结果以及前期研究工作基础和相关文献报道，对脱氟反应的过程也进行了初步讨论，提出了可能的反应机理。

中国科大博士研究生付家乐为文章第一作者，中国科大康彦彪教授为通讯作者。该项研究工作获得了国家重点研发项目催化专项、国家自然科学基金面上项目和合肥微尺度物质科学国家研究中心的资助。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202422043

（化学与材料科学学院、科研部）