晶体硼
一种可以极大提升芬顿体系催化降解效率的助催化剂
1.引言
芬顿体系是由二价铁离子溶液与过氧化氢组成的一个体系，该体系有着强氧化性，后来被应用于废水的处理。该体系最初由英国化学家FentonHJ所发现，为了纪念这位化学家做出的贡献，所以就以他的名字命名了这个体系。不过，虽然传统的芬顿体系有着良好的催化降解能力，但是它也存在着很多缺陷，比如铁离子作为催化剂，但不能回收利用，反应过程中会产生铁泥带来二次污染，过氧化氢利用率不高，反应也需要在酸性条件下才可以正常发挥作用。
由于以上的种种问题，使得传统的芬顿体系很难应用到实际生活中的废水处理。为了解决以上问题，人们对传统的芬顿体系做出改进，比如更换催化剂，或者加入助催化剂，这样就形成了类芬顿体系。接下来我们要介绍的是四川大学与澳大利亚的阿德莱德大学发表在德国应用化学（AngewandteChemie）上的有关于类芬顿体系的一篇文章，该研究首次发现使用晶体硼（C-Boron）加入到芬顿体系后所形成的类芬顿体系，大大提高了其催化降解的效率。
2.文章简介
芬顿反应有个非常严重的缺陷，就是二价铁的生成非常缓慢，下图是芬顿反应的主要方程式，可以看到，在反应过程中，二价铁会被迅速消耗，与过氧化氢反应成羟基自由基，二价铁被氧化为三价铁，但三价铁还原为二价铁的速率却非常缓慢，并且三价铁还非常容易发生沉淀，这就严重限制芬顿体系的催化降解效率。作者首次发现，晶体硼可以在类芬顿体系（C-Boron/Fe3+/H2O2）显著加速二价铁与三价铁的循环，产生大量的羟基自由基，对很多污染物都有着很好的降解效率。C-Boron/Fe3+/H2O2体系优于传统的芬顿(Fe2+/H2O2)和Fe3+与硫酸根体系。晶体硼的反应性和稳定性远高于常用的还原剂、碳纳米材料和其他金属/非金属纳米材料。因此，这一发现为利用非金属硼进行绿色氧化和快速环境净化开辟了新的途径。
3.图文导读
图一：体系的性能测试
A图：对比了五种体系对DEP（邻苯二甲酸二乙酯，一种有机污染物）的降解效率，可以看到C-Boron/Fe3+/H2O2体系有着非常优秀的降解效率，其他四种体系几乎无法降解DEP。
B图：把传统的芬顿体系与加了晶体硼的芬顿体系做了对比，可以看到，加了晶体硼之后，体系的对DEP的降解效果明显提高
C图：将晶体硼进行了5次的循环使用，依旧有很好的效果，说明该助催化剂有着非常良好的可重用性。
D图：C-Boron/Fe3+/H2O2体系对各种不同有机污染物的降价效果，可以看到，该体系对多种污染物降解效果都非常的优秀。
图二：自由基的鉴定
A图：这是对四种体系做的EPR（电子顺磁共振）分析，主要用来检测体系中的自由基，C-Boron/Fe3+/H2O2体系的峰强度最大，说明该体系产生的羟基自由基是最多的。
B图：这是在对C-Boron/Fe3+/H2O2体系加入TBA（叔丁醇，可以清除羟基自由基）与不加TBA的对比，可以看到，加入TBA后，体系对DEP与PE（苯酚）几乎失去了降解能力，这说明该体系主要就是由羟基自由基发挥作用。
图三：C-Boron/Fenton体系中二价铁含量的变化
在传统的芬顿体系中加入晶体硼后，反应过程中，二价铁离子的变化，可以看出，晶体硼的加入大大加速了三价铁到二价铁的转化，提高了体系的催化降解效率。
图四：最佳反应条件的探究与催化剂的对比
A图：研究了过氧化氢投加量对体系的影响，可以看到，投加量太少或者太多都会使得体系对DEP的降解效率有所下降，所以过氧化氢需要一个合适的投加量。
B图：研究了PH对体系的影响，可以看到，PH为3的时候，体系有着最好的降解效率，但是当PH达到4.2的时候，降解效率就有比较明显的下降，而当PH达到6.5，体系几乎失去了对DEP的降解能力，这主要是由于三价铁的沉淀所导致的。
C图：将C-Boron这个催化剂与其他种类的催化剂做了对比，其中包括还原剂、碳纳米材料和非金属化合物，可以看到C-Boron在这么多种催化剂里效果也是最好的。
图五：晶体硼的作用机理
上图是晶体硼将三价铁还原二价铁的反应机理图。
4.总结
晶体硼显著增强了Fe3+/H2O2体系的氧化能力，可降解多种有机污染物，且可重复使用。晶体硼还优于有机还原剂(如透明质酸、左旋氨基酸和原儿茶酸)、螯合剂(如乙二胺四乙酸、草酸、柠檬酸)和金属/非金属纳米材料。机理研究表明，硼的B12单体随着B-B键的分裂而逐步氧化，不断向Fe3+物种(Fe3+、FeOH2+和Fe(OH)2+)提供电子，以保证Fe2+物种的快速恢复。氧化的硼物种将以自清洁的方式溶解到溶液中，以保持硼表面的反应活性。然后，Fe2+进一步分解H2O2生成羟基自由基，促进污染物氧化。这一发现为硼增强类芬顿体系催化氧化开辟了一条新的途径。不过，该体系依旧需要在酸性条件下才能正常发挥作用，同时浸出硼的潜在*性是这种类芬顿体系的一个限制。幸运的是，微污染物在天然水中的浓度极低，硼的用量可以调整到非常低的剂量，以实现微污染物的降解。同时，硼在氧化还原过程中的高电子利用效率只会导致低水平的硼浸出(如硼酸)。尽管如此，作者仍鼓励进一步开展工作，进行*性和经济分析，并开发后续水处理工艺，以最大限度地减少或消除硼对健康和环境的潜在危害。
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