2025年高中化學(xué)競賽專題訓(xùn)練二十：環(huán)境化學(xué)與綠色化學(xué)一、環(huán)境化學(xué)領(lǐng)域研究方向與技術(shù)進(jìn)展（一）典型環(huán)境介質(zhì)污染機(jī)制研究環(huán)境化學(xué)研究正從單一介質(zhì)污染向多介質(zhì)協(xié)同作用拓展。2025年廈門環(huán)境化學(xué)青年學(xué)者研討會指出，當(dāng)前研究重點(diǎn)圍繞大氣、水土及固廢等典型環(huán)境介質(zhì)的交叉污染問題。在大氣環(huán)境領(lǐng)域，中國科學(xué)院地球環(huán)境所揭示了城市大氣二次有機(jī)氣溶膠（SOA）形成的獨(dú)特化學(xué)機(jī)制，發(fā)現(xiàn)氮氧化物與揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）在特定氣象條件下可通過自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)生成超細(xì)顆粒物，其氧化潛勢較傳統(tǒng)一次顆粒物提升3-5倍。該研究通過同步輻射真空紫外光電離質(zhì)譜技術(shù)，首次觀測到異戊二烯氧化中間產(chǎn)物的多通道反應(yīng)路徑，為PM2.5精準(zhǔn)溯源提供了新依據(jù)。水環(huán)境研究呈現(xiàn)微觀界面過程與宏觀生態(tài)效應(yīng)結(jié)合的特點(diǎn)。長江流域水專項(xiàng)研究表明，水體中新型有機(jī)污染物（如全氟化合物、藥物活性成分）通過“水-沉積物-生物”界面遷移轉(zhuǎn)化時，會發(fā)生復(fù)雜的光化學(xué)轉(zhuǎn)化與生物富集。以全氟辛磺酸（PFOS）為例，其在沉積物中的吸附系數(shù)（Koc）受pH值和鹽度影響顯著，在弱堿性條件下可通過配位交換作用與沉積物中的鐵錳氧化物結(jié)合，形成潛在的二次釋放風(fēng)險(xiǎn)。研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的原位固相微萃取技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對水體中pg/L級污染物的實(shí)時監(jiān)測。土壤污染修復(fù)研究聚焦重金屬形態(tài)轉(zhuǎn)化與生物有效性調(diào)控。最新研究發(fā)現(xiàn)，土壤中的砷可通過微生物介導(dǎo)的甲基化過程轉(zhuǎn)化為毒性更強(qiáng)的二甲基砷（DMA），其遷移性較無機(jī)砷提高2個數(shù)量級。針對這一問題，環(huán)境化學(xué)團(tuán)隊(duì)開發(fā)出基于金屬有機(jī)框架（MOFs）的納米復(fù)合材料，通過表面修飾的巰基官能團(tuán)對砷離子進(jìn)行選擇性吸附，同時負(fù)載的功能微生物可將吸附的砷還原為低毒的As(III)，修復(fù)效率較傳統(tǒng)化學(xué)淋洗法提升40%以上。（二）污染物監(jiān)測技術(shù)創(chuàng)新環(huán)境化學(xué)檢測技術(shù)正朝著高靈敏度、高通量和智能化方向發(fā)展。2025年環(huán)境化學(xué)檢測行業(yè)報(bào)告顯示，基于量子點(diǎn)標(biāo)記的免疫傳感器已實(shí)現(xiàn)對水中雙酚A的檢測限低至0.1ng/L，較傳統(tǒng)HPLC方法檢測時間縮短80%。在大氣監(jiān)測領(lǐng)域，差分光學(xué)吸收光譜（DOAS）技術(shù)與無人機(jī)搭載系統(tǒng)結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)1km×1km網(wǎng)格的VOCs時空分布mapping，監(jiān)測數(shù)據(jù)通過5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)時傳輸至云端分析平臺，為區(qū)域污染應(yīng)急響應(yīng)提供決策支持。生物監(jiān)測技術(shù)展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢。美國NOAA開發(fā)的轉(zhuǎn)基因斑馬魚胚胎檢測系統(tǒng)，通過綠色熒光蛋白（GFP）標(biāo)記芳烴受體（AhR），可在24小時內(nèi)指示水體中多環(huán)芳烴（PAHs）的暴露水平，其靈敏度較傳統(tǒng)魚類急性毒性測試提高100倍。中國學(xué)者在海洋微塑料檢測方面取得突破，利用拉曼顯微光譜與人工智能識別算法結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對直徑2μm以下微塑料的自動化計(jì)數(shù)與成分分析，單個樣品檢測時間控制在30分鐘內(nèi)。二、綠色化學(xué)關(guān)鍵技術(shù)突破（一）催化技術(shù)革新單原子催化技術(shù)在2025年取得里程碑進(jìn)展。張濤院士團(tuán)隊(duì)開發(fā)的氮摻雜碳負(fù)載單原子鐵催化劑，在乙烯氧化反應(yīng)中展現(xiàn)出100%的原子利用率，將環(huán)氧乙烷選擇性提升至92%，較傳統(tǒng)銀催化劑能耗降低35%。該技術(shù)已成功應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，使氯乙烯單體（VCM）的合成工藝減少3步反應(yīng)，副產(chǎn)物排放量降低80%。在CO?轉(zhuǎn)化領(lǐng)域，金屬有機(jī)框架（MOFs）材料呈現(xiàn)出優(yōu)異的催化性能，河南師范大學(xué)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的Co基COF納米片催化劑，通過調(diào)控金屬配位環(huán)境實(shí)現(xiàn)了可見光驅(qū)動下CO?到合成氣（CO/H?）的高效轉(zhuǎn)化，量子效率達(dá)到28.3%，氫氣選擇性可通過光照波長精準(zhǔn)調(diào)控。生物催化技術(shù)拓展應(yīng)用邊界。2025年十大前沿科學(xué)問題“準(zhǔn)金屬替代過渡金屬用于精準(zhǔn)合成”的研究表明，硼、硅等準(zhǔn)金屬催化劑可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)過渡金屬催化的交叉偶聯(lián)反應(yīng)，如硅催化的Suzuki反應(yīng)產(chǎn)率達(dá)95%，且催化劑成本降低70%。在醫(yī)藥合成領(lǐng)域，固定化酶催化技術(shù)取得突破，采用磁性納米顆粒固定的脂肪酶在布洛芬不對稱合成中，enantiomericexcess（ee值）達(dá)到99.2%，連續(xù)反應(yīng)50批次后活性保留率仍超過80%。（二）綠色合成方法學(xué)進(jìn)展原子經(jīng)濟(jì)性反應(yīng)成為有機(jī)合成的主流方向。2025年國家科技獎初評項(xiàng)目“基于缺陷化學(xué)的電催化新體系”，通過在金屬氧化物表面構(gòu)建氧空位缺陷，實(shí)現(xiàn)了醛類化合物的氧化酯化“一鍋法”合成，原子利用率從傳統(tǒng)路線的45%提升至92%。在高分子合成領(lǐng)域，可逆失活自由基聚合（RDRP）技術(shù)與生物基單體結(jié)合，成功制備出可降解聚酯材料，其分子量分布（PDI）控制在1.15以內(nèi)，力學(xué)性能達(dá)到石油基聚乙烯水平。溶劑綠色化替代取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。超臨界CO?萃取技術(shù)在天然產(chǎn)物分離中的應(yīng)用規(guī)模不斷擴(kuò)大，2025年全球采用該技術(shù)生產(chǎn)的食品添加劑占比已達(dá)35%。離子液體作為新型反應(yīng)介質(zhì)展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢，1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽（[BMIM]BF?）可溶解纖維素并催化其水解，葡萄糖產(chǎn)率達(dá)85%，且離子液體可通過減壓蒸餾實(shí)現(xiàn)循環(huán)使用，再生率超過90%。水相有機(jī)合成技術(shù)突破傳統(tǒng)限制，在釕催化劑存在下，芳香鹵代物與苯硼酸的Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)可在純水中進(jìn)行，反應(yīng)溫度降低至60℃，產(chǎn)物收率保持90%以上。（三）碳捕集與轉(zhuǎn)化技術(shù)新一代碳捕集技術(shù)顯著降低能耗成本?！暗湍芎牡统杀咎疾都c封存技術(shù)”入選2025年十大工程技術(shù)難題，推動了新型吸附材料的研發(fā)。胺功能化介孔硅材料對CO?的吸附容量達(dá)4.2mmol/g，且具有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，經(jīng)過100次吸附-脫附循環(huán)后容量衰減小于5%。膜分離技術(shù)取得突破，混合基質(zhì)膜（MMMs）通過將MOFs顆粒分散到聚合物基質(zhì)中，CO?/N?分離系數(shù)達(dá)到180，滲透通量較純聚合物膜提升3倍，有望將碳捕集能耗降至1.5GJ/噸CO?以下。CO?高值化轉(zhuǎn)化開辟新路徑。光催化CO?還原技術(shù)在2025年實(shí)現(xiàn)效率飛躍，堂免一成團(tuán)隊(duì)開發(fā)的ZnIn?S?/CdS異質(zhì)結(jié)光催化劑，在模擬太陽光照射下，CO?到甲醇的轉(zhuǎn)化效率達(dá)到1.8μmol·g?1·h?1，選擇性超過90%。電催化CO?還原系統(tǒng)與可再生能源結(jié)合，構(gòu)建了“光伏-電催化”一體化裝置，在實(shí)驗(yàn)室條件下實(shí)現(xiàn)了CO?到乙烯的電催化轉(zhuǎn)化，法拉第效率達(dá)72%，單程轉(zhuǎn)化率突破15%。生物轉(zhuǎn)化技術(shù)方面，工程化改造的藍(lán)細(xì)菌可通過卡爾文循環(huán)固定CO?，同時合成3-羥基丙酸，產(chǎn)量達(dá)到25g/L，為CO?生物煉制提供了新方案。三、綠色化學(xué)應(yīng)用案例與競賽考點(diǎn)分析（一）工業(yè)污染控制案例案例1：乙烯氧化制環(huán)氧乙烷工藝革新傳統(tǒng)工藝采用銀催化劑，需在250℃、2MPa條件下反應(yīng)，能耗高且易生成CO?等副產(chǎn)物。2025年工業(yè)化應(yīng)用的單原子催化劑技術(shù)，通過將銀原子分散在TiO?載體表面，構(gòu)建單原子活性中心，使反應(yīng)溫度降低至180℃，壓力降至0.8MPa，環(huán)氧乙烷選擇性從82%提升至92%。該技術(shù)每年可減少CO?排放約12萬噸/萬噸產(chǎn)能，對應(yīng)競賽考點(diǎn)涉及催化劑活性中心結(jié)構(gòu)、反應(yīng)機(jī)理分析及原子經(jīng)濟(jì)性計(jì)算。案例2：電子廢棄物中貴金屬回收針對傳統(tǒng)濕法冶金工藝污染嚴(yán)重的問題，綠色化學(xué)團(tuán)隊(duì)開發(fā)出基于深共晶溶劑（DES）的回收技術(shù)。以氯化膽堿-草酸（ChCl-OA）低共熔溶劑為萃取劑，在80℃下對廢電路板中的金進(jìn)行選擇性溶解，萃取率達(dá)99.5%，通過電沉積可直接得到純度99.99%的金單質(zhì)。該過程避免使用氰化物等有毒試劑，溶劑可循環(huán)使用10次以上，相關(guān)化學(xué)原理涉及氫鍵網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、金屬離子配位環(huán)境分析等競賽重點(diǎn)。（二）新能源材料綠色合成案例3：鋰離子電池正極材料再生退役鋰離子電池中的LiCoO?正極材料，通過有機(jī)酸浸出-水熱再生工藝可實(shí)現(xiàn)高效回收。采用檸檬酸-抗壞血酸混合體系，在80℃下浸出鈷和鋰的效率分別達(dá)到98.7%和96.2%，浸出液通過水熱法直接合成LiCoO?，循環(huán)性能與商業(yè)材料相當(dāng)。該工藝較傳統(tǒng)火法回收能耗降低60%，減少SO?等有害氣體排放，競賽中可能涉及溶解平衡計(jì)算、配合物穩(wěn)定性分析及循環(huán)經(jīng)濟(jì)評估。案例4：鈣鈦礦太陽能電池綠色制備傳統(tǒng)鈣鈦礦制備過程中使用的DMF等溶劑毒性大，2025年開發(fā)的無鉛錫基鈣鈦礦采用乙醇-水混合溶劑體系，通過反溶劑輔助結(jié)晶法制備出高質(zhì)量甲脒錫碘（FASnI?）薄膜，電池光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)18.2%，且鉛含量降低至0.01%以下。該案例涉及溶劑效應(yīng)、晶體生長動力學(xué)及材料毒性評估等競賽知識點(diǎn)。（三）環(huán)境修復(fù)技術(shù)應(yīng)用案例5：地下水硝酸鹽污染原位修復(fù)針對農(nóng)業(yè)區(qū)地下水硝酸鹽超標(biāo)問題，環(huán)境化學(xué)團(tuán)隊(duì)開發(fā)了“生物電化學(xué)系統(tǒng)（BES）-反硝化耦合技術(shù)”。通過在地下構(gòu)建滲透性反應(yīng)墻，填充碳?xì)蛛姌O和功能微生物，利用微生物電化學(xué)作用將NO??還原為N?，修復(fù)速率達(dá)0.8mg·L?1·h?1，較傳統(tǒng)生物修復(fù)提高3倍。該技術(shù)已在華北平原應(yīng)用，修復(fù)后地下水中硝酸鹽濃度從150mg/L降至10mg/L以下，相關(guān)原理涉及氧化還原電位調(diào)控、微生物電子傳遞等競賽內(nèi)容。案例6：土壤重金屬電動修復(fù)強(qiáng)化技術(shù)在重金屬復(fù)合污染土壤修復(fù)中，新型螯合劑氨基多羧酸類物質(zhì)（如EDDS）可與Cu2?、Pb2?等形成穩(wěn)定配合物，通過電動修復(fù)過程定向遷移。2025年優(yōu)化的脈沖電場技術(shù)，通過施加間歇性直流電壓（1.5V/cm），使土壤中重金屬去除率提升至75%，能耗降低40%。該過程中需考慮配合物穩(wěn)定常數(shù)、離子遷移速率及土壤pH值變化等因素，是競賽中綜合應(yīng)用題的典型素材。四、競賽命題趨勢與解題策略（一）學(xué)科交叉型試題分析2025年競賽命題呈現(xiàn)環(huán)境化學(xué)與綠色化學(xué)深度融合的特點(diǎn)。典型題目如：“利用同步輻射X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)（XAFS）技術(shù)分析土壤中砷的形態(tài)轉(zhuǎn)化，結(jié)合熱力學(xué)數(shù)據(jù)計(jì)算不同pH條件下As(V)/As(III)的轉(zhuǎn)化比例，并設(shè)計(jì)基于生物電化學(xué)系統(tǒng)的原位修復(fù)方案”。此類題目要求考生：1）掌握XAFS光譜解析方法，從吸收邊位置判斷元素價(jià)態(tài)；2）運(yùn)用能斯特方程計(jì)算氧化還原平衡；3）結(jié)合綠色化學(xué)原理設(shè)計(jì)低能耗修復(fù)工藝。解題關(guān)鍵在于建立“微觀結(jié)構(gòu)-宏觀性質(zhì)-技術(shù)應(yīng)用”的邏輯鏈條，例如通過砷的配位環(huán)境分析其生物有效性，進(jìn)而選擇合適的修復(fù)技術(shù)。（二）數(shù)據(jù)處理與圖表分析能力環(huán)境化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的定量分析成為競賽重點(diǎn)。例如給出不同溫度下某污染物的降解動力學(xué)曲線，要求計(jì)算反應(yīng)活化能并判斷反應(yīng)類型；或提供某地區(qū)大氣污染物濃度時空分布圖，分析污染來源及傳輸路徑。解題時需熟練運(yùn)用阿倫尼烏斯方程、一級反應(yīng)動力學(xué)模型等工具，注意數(shù)據(jù)單位換算和誤差分析。對于圖表題，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注坐標(biāo)軸物理意義、數(shù)據(jù)點(diǎn)分布規(guī)律及異常值處理，如2025年預(yù)賽中出現(xiàn)的“PFOS在不同pH值下的吸附等溫線”分析題，需要通過Langmuir和Freundlich模型擬合判斷吸附機(jī)制。（三）綠色化學(xué)原理應(yīng)用題解法綠色化學(xué)評估類題目通常要求從原子經(jīng)濟(jì)性、能耗、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等多維度比較不同合成路線。例如比較傳統(tǒng)氯醇法與過氧化氫氧化法制備環(huán)氧丙烷的綠色度，需計(jì)算原子利用率（前者約31%，后者達(dá)76%）、分析催化劑毒性（重金屬鉻vs鈦硅分子篩）及副產(chǎn)物處理成本。解題策略是建立“綠色化學(xué)十二原則”的評估框架，優(yōu)先考慮原子經(jīng)濟(jì)性和無害化學(xué)合成，同時兼顧工藝可行性。最新命題趨勢是結(jié)合2025年技術(shù)突破，如要求設(shè)計(jì)基于COF材料的CO?捕集-轉(zhuǎn)化一體化流程，需考慮材料選擇性、再生性能及能量消耗等綜合因素。五、前沿技術(shù)拓展閱讀（一）人工智能在環(huán)境化學(xué)中的應(yīng)用AlphaFold團(tuán)隊(duì)將蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測算法拓展至環(huán)境污染物降解酶設(shè)計(jì)，通過同源建模和分子動力學(xué)模擬，改造后的漆酶對雙酚A的降解活性提升5倍。環(huán)境化學(xué)檢測領(lǐng)域的AI圖像識別技術(shù)，可通過無人機(jī)航拍圖像快速識別水體富營養(yǎng)化區(qū)域，識別準(zhǔn)確率達(dá)92%，處理速度較傳統(tǒng)方法提高10倍。相關(guān)技術(shù)原理涉及機(jī)器學(xué)習(xí)模型構(gòu)建、特征參數(shù)提取等，代表未來競賽命題的新方向。（二）太空環(huán)境化學(xué)研究國際空間站2025年開展的微重力條件下污染物轉(zhuǎn)