近日，中南大學劉敏教授在C-F鍵活化及全氟污染物完全降解方面取得重要進展，相關成果發表在國際權威期刊《美國化學會志》（J. Am. Chem. Soc.）上。中南大學為該項研究成果的第一完成單位，羅文杰博士為論文第一作者，劉敏教授為通訊作者。

全氟化合物（PFCs）因其獨特的性質被廣泛應用于工業領域。然而，它們的持久性和生物毒性對環境和人類健康構成了重大威脅，是亟待處理的環境污染物。降解PFCs污染物的挑戰在于其最強的共價鍵，C−F鍵的強度。尤其是CF4，其具有高度對稱的四面體結構以及最強的C−F鍵（543 kJ mol−1），使其成為大氣中濃度最高的PFC，并且具有最大的溫室效應。因此，開發一種經濟高效的CF4分解方法對于實現可持續未來至關重要且具有重要意義。在CF4污染物降解技術中，催化水解法因其高分解效率、無有毒副產物以及大規模應用的潛力，被認為是最有前景的方法之一。但由于裂解強C−F鍵所需的高反應溫度而面臨挑戰。

原子協同的L和B酸位點促進C-F鍵活化以CF4完全降解的示意圖。

圖1.原子協同的L和B酸位點促進C-F鍵活化以CF4完全降解的示意圖

圖2.原子協同的L和B酸位點的透射電子顯微鏡以及同步輻射表征圖

熱催化水解法因其分解速度快和無有毒副產物的優勢最具大規模應用的潛力，但高度對稱的單碳結構和極難活化的C?F鍵使得CF4分解需要較高的溫度。該研究開發了一種創新的C−F活化策略，通過在原子分散的Zn−O−Al位點上構建協同的Lewis和Brønsted酸對來促進C−F鍵的活化。以分解典型的PFCs, CF4為例，密度泛函理論DFT計算表明，三配位的Al（AlIII）位點具有路易斯（L）酸性，可以為CF?分子提供穩定的吸附位點；而Zn−OH位點具有布朗斯特（B）酸性，能夠與吸附的CF?分子相互作用，從而拉伸并活化C−F鍵（見圖1）。X射線吸收光譜（XAS）、吡啶紅外光譜（Py-IR）和氨程序升溫解吸（NH3-TPD）證實了在原子分散的Zn−O−Al位點上存在AlIII和Zn-OH。CF4-TPD和原位紅外光譜證實，Zn−O−Al位點有利于CF4吸附和C-F鍵活化。結果表明，具有協同Lewis和Brønsted相對的Zn−O−Al位點在560°C的低溫下實現了100%的CF4分解，并在超過250h的時間內表現出出色的穩定性。這項工作為在較低溫度下高效活化C−F鍵和分解CF?提出了一種創新策略。

該研究獲得了國家自然科學基金、湖南省科技創新計劃、中南大學前沿交叉研究計劃、中南大學創新驅動研究計劃、粉末冶金國家重點實驗室以及中南大學高性能計算公共平臺的支持。