电化学高级氧化技术通过高效生产大量具有强氧化性的活性物质以应对不断增长的水污染问题,是最有应用前景的污染控制技术之一。然而,设计具有高活性和稳定性的催化体系以有效去除有机污染物是该项技术在实际应用的长期目标。尽管纳米颗粒促进电化学体系用于有机污染物的氧化降解的研究得到广泛报道,但其背后是否存在普遍性原理尚不明确。在本研究中,通过提出纳米原电池的概念及原理,我们首次提出并描述了纳米颗粒协同电化学高级氧化技术,以期为水污染控制提供一种有应用前景、具有普适性的替代方法,并为相关研究提出新见解,为水体污染物的高效去除提供理论指导。由于磁性Fe₃O₄具有良好的可回收性、导电性和无毒害的化学成分,是自然界中一种常见的矿物,其作为一种环境友好型材料被选作本研究的模型纳米颗粒。研究结果显示,Fe₃O₄纳米颗粒协同电化学氧化体系表现出优良的去除有机污染物的能力,其对4-CP的矿化能达到100%。Fe₃O₄纳米颗粒在电化学系统中同时具有原电池和磁铁的双重功能。一方面,球形Fe₃O₄纳米颗粒在电场作用下通过静电感应作用发生极化,致使电荷重新分布,一侧大量积累正电荷,如铁元素的各类形态(Fe²⁺、Fe³⁺);另一侧大量积累负电荷,如电子或O^2-,从而产生大量的纳米原电池。由此,一方面,纳米原电池能极大地促进体系中的电子转移过程,触发系统中的还原反应（例如,O₂还原生成H₂O₂和O₂·^-）和氧化反应（例如,4-氯苯酚及其中间体的直接氧化）。另一方面,静电感应产生的带电纳米颗粒在电场中的运动和Fe₃O₄的自身性质会产生磁场,而磁场力可影响纳米颗粒表面铁元素的释放和重新分布,从而进一步影响纳米原电池系统。实验证明4-CP可在构建的纳米颗粒协同电化学氧化体系中实现完全矿化,这是目前为止所有高级氧化技术中报道的最好处理效果。自由基淬灭剂实验证实了O₂·^-和·OH是促进4-CP高效降解的关键反应活性物质。在Fe₃O₄及Pd/Fe₃O₄构建的纳米颗粒协同电化学氧化体系中,由于单质Pd能够催化电解产生的H₂和O₂产生大量H₂O₂,使得O₂·^-和·OH在这两种体系中对4-CP的降解贡献差异显著:在Fe₃O₄纳米颗粒协同电化学氧化体系中,两种自由基均参与到4-CP的矿化降解中,而在Pd/Fe₃O₄体系中,起主要作用的则为·OH。不同析氢电极（Pt、Cu、Wu、Zn、Ti）在Pd/Fe₃O₄纳米颗粒协同的电化学氧化体系中对4-CP的降解实验影响不大,进一步证明电极表面的非均相催化反应对系统的降解贡献甚小,其主要作用是提供恒定电流以维持稳定的外部电场,从而促使颗粒形成纳米原电池,这为其他价廉易得且环境友好的金属材料作为阴极电极提供了可能性。同时,Fe₃O₄纳米颗粒在构造的电化学体系中具有优良的稳定性和可重复利用性,展示了其在去除有机污染的潜力。此外,实验比较了单氯苯酚三种同分异构体在构建的纳米颗粒促进的电化学体系中降解速率的差异性。结果表明,该电化学体系表现出极强的氧化能力,可实现对三种氯代苯酚的矿化去除,8 h电解效率均达到90%左右,由于羟基基团和氯原子取代基的邻位及对位攻击导向和空间位阻的协同效应,单氯苯酚在体系中的降解速率表现出如下顺序:3-CP>4-CP>2-CP。本研究证实电化学与纳米技术间存在协同作用过程,通过将纳米颗粒简单地投放入电化学体系,即可自发形成无数个纳米原电池,展现出对污染物高效的催化降解性能。该方法的优点在于克服了异相电化学过程中普遍存在的电极面积有限、传质受限、电流效率低等问题,实现了电磁协同作用高效降解去除有机污染物。本研究利用纳米原电池的概念首次详细阐述了Fe₃O₄纳米颗粒的电磁协同功能用于水体污染物的修复,其可作为纳米颗粒协同电化学氧化技术的理论基础,为其他新颖纳米材料的开发及其在实际过程的应用提供指导。