近日，哈尔滨工业大学（深圳）土木与环境工程学院张冠副教授团队首次系统、全面地揭示了电解过程中原位生成的Cu(Ⅲ)介导的氧化还原穿梭在促进电荷转移和•OH生成用于水净化方面发挥着关键作用，这项工作为开发混合金属氧化物电极的开发提供了一种有效的设计策略。该成果以 “In situ electrogenerated Cu(III) triggers hydroxyl radicals production on Cu-Sb-SnO2 electrode for highly efficient water decontamination”为题发表在国际权威刊物《美国科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，PNAS）上。
电化学氧化法具有氧化能力强、环境友好和结构紧凑的优点，被认为是一种处理难降解有机污染物非常有前途的技术。一方面，由于污染物传质过程的控制，直接氧化的效率受到限制，要求在间接氧化中最大限度地提高氧化物种（如•OH、H2O2）的产量。另一方面，电极电子结构与催化活性的内在联系、金属原子间电子穿梭过程缺乏深入研究，不利于指导电极的设计和开发。
本研究基于引入高价金属和优化电子结构的策略，通过简单可扩展的制备工艺，开发了一种高活性、低成本、稳定的Cu-Sb-SnO2阳极。通过晶格掺杂的电子结构优化赋予了Cu-Sb-SnO2优异的物理化学和电化学性能。本研究首次从实验和理论上证实了原位电生成的Cu(Ⅲ)以促进水净化中•OH的产生，并阐明了电极的电子结构与催化活性之间的内在关系。此外，阐明了Cu介导的氧化还原穿梭在Sb-SnO2中作为Sn和Sb之间的“电子搬运工”提高电荷转移效率的另一个关键作用。这种简单的制造方法有望实现完整的规模化和机械化制造，对电化学水处理电极的开发具有重要意义。
该论文第一作者为博士生卢森，土环学院张冠副教授、理学院周佳副教授为通讯作者，理学院周佳与硕士生程宇萌为本工作提供了理论计算研究，哈工大（深圳）为唯一完成单位和通讯单位。该研究得到了国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金的资助。
图1：亚稳态Cu(Ⅲ)的探索。基于多种表征技术全面、系统的证明了电解过程中原位电生成Cu(Ⅲ)组分的存在，阐明了亚稳态Cu(Ⅲ)氧化水分子产生•OH的过程。
图2：DFT计算结果。DFT计算结果表明Cu掺杂有效优化了锡锑电极的电子结构，低反应能垒、强水分子吸附能和电荷转移能力有效促进了•OH生成。首次提出了Cu氧化还原穿梭作为“电子搬运工”增强了Sb和Sn之间的电子转移
图3：Cu-Sb-SnO2阳极的实际应用潜力。实验结果证实了Cu-Sb-SnO2电极优异的稳定性、适应性以及低能耗、低成本。这种制备方法易于大规模生产，从电极预处理到成品包装的整个制备过程有望实现完全的机械化和自动化控制。
