ESR小课堂丨电子顺磁共振技术在生物炭中持久性自由基中的应用

电子顺磁共振（ESR）技术正在为环境科学领域带来新的突破。 华中科技大学的研究团队最近利用ESR技术揭示了生物炭在不同pH条件下对砷（As）氧化行为的影响 ，这一发现可能为环境修复提供新的思路。

生物炭因其特殊的表面化学性质和结构属性，在水处理和土壤修复等领域被广泛应用。然而，关于生物炭在宽泛的环境相关pH范围内对污染物（如As）的氧化还原转化行为，以及其表面氧化还原活性基团（RAMs）在这一过程中的作用机制，仍存在许多未知。

华中科技大学环境科学与工程学院的张延荣教授和王琳玲副教授团队通过ESR、傅里叶变换红外（FT-IR）光谱、X射线光电子能谱（XPS）和Boehm滴定等方法，揭示了生物炭中RAM组分诱导As(III)的pH依赖性氧化机制。这项研究发表在国际权威期刊《Environmental Science & Technology》上。

研究发现， 生物炭表面的RAMs（包括酚羟基、持久性自由基和醌基）在As(III)氧化过程中起着关键作用。 在酸性到中性条件下，生物炭主要通过其表面的酚羟基和半醌型持久性自由基活化分子氧，产生羟基自由基（•OH）和过氧化氢（H2O2），从而驱动As(III)氧化。而在碱性条件下，生物炭则能通过持久性自由基、醌基和H2O2氧化As(III)。

这一发现揭示了生物炭对As(III)的pH和O2依赖性的氧化机制。研究结果表明，生物炭对As(III)的氧化行为主要归因于RAMs的氧化还原活性，以及As(V)/As(III)和O2/•HO2电对在不同pH条件下的电势差。

ESR技术在这项研究中发挥了关键作用。作为一种非破坏性的分析方法， ESR能够直接检测和量化生物炭中的持久性自由基 。这些自由基在环境中具有较长的半衰期，从数小时到数天不等，因此被称为持久性自由基（PFRs）。PFRs能够引发连续的单电子转移反应，活化分子氧产生活性氧（ROS），如超氧阴离子自由基、过氧化氢和羟基自由基等，这些ROS可用于高效降解有机污染物。

这项研究不仅增进了我们对生物炭材料在宽pH范围内氧化As(III)作用机制的理解，还阐明了碳基材料特别是其表面RAMs在环境修复中的重要意义。未来，ESR技术有望在更多环境科学领域得到应用，帮助我们更好地理解复杂环境过程中的自由基参与机制，为环境修复和污染控制提供新的思路和方法。