辽宁大学张蕾教授发表ACB：可见光驱动电催化同步产生H2O2及高效去除无机砷/有机砷- 大数跨境

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辽宁大学张蕾教授发表ACB：可见光驱动电催化同步产生H2O2及高效去除无机砷/有机砷

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2023-12-01

导读：辽宁大学张蕾教授发表ACB：可见光驱动电催化同步产生H2O2及高效去除无机砷/有机砷

文章信息

第一作者：孙燕博士生（辽宁大学）

通讯作者：张蕾二级教授（辽宁大学）

论文DOI: 10.1016/j.apcatb.2023.123549

研究背景

环境残余的无机砷和有机砷对人类健康构成了严重威胁，光电化学催化原位产H₂O₂结合电芬顿快速氧化As(III)至低毒As(V)/降解有机砷并高效去除释放的As(V)，是一种具有应用前景的处理饮用水中砷污染的技术。在2e- ORR H₂O₂生产中，如何设计高催化活性的光电阴极以提高O2传输速率和利用率进而获得高浓度的H₂O₂，是目前急需解决的关键问题。本文我们设计了一种Z-scheme NiFe₂O₄@ZnFe₂O₄空心球光催化剂，该催化剂具有优异的可见光吸收和载流子分离的能力以及强氧化还原性能。基于此构建具有不对称润湿度的Janus光电阴极，电极疏水层保持稳定的储氧能力，有效提高氧的有效传输及利用率；亲水层提供了离子/电子传输界面，保证Janus电极的离子/电子导电性，从而大大提高H₂O₂生成量。此外，通过构建Janus ‖ Fe 电池，实现在较低的电压下光电催化原位产过氧化氢，并结合电芬顿高级氧化技术降解并去除砷污染物。

文章简介

近日，辽宁大学张蕾教授课题组在Applied Catalysis B: Environmental上发表了题为“Synchronous generation of H₂O₂ and high effective removal of inorganic arsenic/organoarsenic by visible light-driven cell”的研究论文（DOI: 10.1016/j.apcatb.2023.123549），设计了一种同时具有疏水储氧层和亲水催化剂层的不对称润湿性Janus光电阴极，用于高效氧还原生产H₂O₂；构建Janus ‖ Fe 原位芬顿体系，不仅在低能耗下产生H₂O₂并原位芬顿氧化As(III)和洛克沙胂，利用芬顿产生的氢氧化铁与As(Ⅴ)共沉淀，实现了93%以上的水体有无机/机砷的去除。

图文导读

不对称润湿度Janus光电阴极的构建

Fig. 1. Cross-sectional SEM images of Janus electrode (a); Hydrophobic (b) and hydrophilic (e) surface SEM images of Janus electrode. Insets are the contact angles of the hydrophobic and hydrophilic surface in Janus electrode; Photograph of hydrophobic gas transport layer (c-d) and hydrophilic catalyst layer (f-g) in Janus electrode.

通过对石墨毡的一侧用PTFE进行疏水化处理，另一侧涂覆亲水的Z-scheme NiFe₂O₄@ZnFe₂O₄空心球光电催化剂，成功地制备了具有疏水储氧层和亲水催化剂层的不对称润湿性Janus光电阴极。

高效PEC 氧还原H₂O₂生产

Fig. 2. LSV curves of the Janus electrode, HIE and HOE (a); The effects of applied potential on PEC H₂O₂ production over the Janus electrode (b); H₂O₂ yields and FEs of the Janus electrode, HIE and HOE (c); Schematic illustration of transport and reaction pathways on HIE (d), HOE (e) and the Janus electrode (f) for ORR; Stability experiment for the PEC H₂O₂ production with the Janus electrode (g); H₂O₂ yield and FEs for the Janus electrode at - 0.7 V after electrolysis in O2-saturated 0.1 M Na₂SO₄ for 9 h. Irradiation conditions were λ > 420 nm (300 W Xenon lamp fixed at 100 mW∙cm^-2 with a cutoff filter). (h); Comparison with other electrodes for H₂O₂ production (i).

在PEC H₂O₂生产实验中, 具有不对称润湿性的Janus光电阴极实现了255.9 mg·L^-1∙h^-1的最大H₂O₂产率，高于亲水电极和疏水电极。Janus电极显著的ORR性能主要归因于：(1) Z-scheme NiFe₂O₄@ZnFe₂O₄空心球光电催化剂，具有较强的氧化-还原能力，实现高效的电荷分离和传输，极大地提高了太阳能的利用率。（2）疏水性气体存储层提供充足稳定的O₂，缓解了电解质中溶解氧低的限制；（3）亲水性催化剂与溶液之间有足够的接触面积，有利于氧还原过程中的离子/电子传输。

Janus ‖ Fe原位Fenton体系用于As(III) 氧化和洛克沙胂降解

Fig. 3. The effects of applied potential and pH on As (III) oxidation and ROX degradation (a); The As (III) conversion efficiency and ROX degradation efficiency of Janus ‖ Fe in-situ Fenton system and Janus ‖ Pt system (b); The proposed ROX degradation pathway in the Janus ‖ Fe in-situ Fenton system (c).

研究了Janus ‖ Fe原位Fenton体系中As(III)的氧化和ROX的降解。洛克沙胂的降解率在120分钟内约为99%；20 ppm的As(III) 在45分钟内几乎完全氧化为As(V)。优异的氧化性能主要是由于原位产生的H₂O₂被直接活化产生了大量强氧化性的∙OH, 加速了As(III) 的氧化和洛克沙胂的降解。氧化过程中释放毒性较小的As（V），同时利用Fenton反应产生的Fe³⁺水解形成的氢氧化铁可吸附去除水体中93%以上的砷。

Janus ‖ Fe原位Fenton体系吸附去除水体中的砷

Fig. 4. Schematic illustration of Fe (III) (hydro) oxides adsorption (a); adsorption cure of As (V) by Fe (III) (hydro) oxides (b); Fe 2p (d) and As 3d (e) core level photoelectron spectra of the precipitate.

设计了一种具有不对称润湿性的Janus光电阴极用于光电催化生产H₂O₂。优异的H₂O₂生产性能（255.9 mg·L^-1∙h^-1）归因于疏水性气体存储层稳定了O2供应以及亲水催化剂层加速了离子/电子传输。利用Janus光电阴极H₂O₂生成系统和Fe牺牲阳极构建的PEC原位Fenton系统，在45分钟内获得了96.1%的优异As(III) 氧化效率，在120分钟内对洛克沙胂的降解效率超过99%。此外，Fe阳极电解形成的氢氧化铁有效地捕获了氧化过程中释放的无机砷，从而实现砷的完全去除。这项工作的设计思路和实验过程适用于未来设计光电化学H₂O₂生产以及大规模污染物去除。

通讯作者简介

张蕾教授材料化学博士，二级教授，博士生导师。国务院政府特殊津贴获得者，2022年,2023年连续两年入选全球前2%顶尖科学家终身成就榜。辽宁省“兴辽英才计划”创新领军人才（辽宁特聘教授），辽宁省百千万人才工程“百人层次”，辽宁省“学术头雁”，两次入选辽宁省高等学校创新团队带头人，多次荣获辽宁省优秀博士/硕士学位论文指导教师，辽宁省优秀本科生教学名师等称号。

主要研究方向：层级微纳功能材料的设计与可控制备；功能纳米界面的调控、表征及应用；低碳能源催化材料，微纳光电材料与器件技术。

主持国家自然科学基金及省部级基金16项。以第一作者或通讯作者在国际重要学术期刊发表SCI论文140余篇，多篇论文入选ESI全球Top高被引论文。

第一作者简介

孙燕辽宁大学化学学院，博士生，主要从事光/光电催化材料设计与制备、催化等方面研究。

文章链接

参考文献：Y.Sun, L. Zhang, Synchronous generation of H₂O₂ and high effective removal of inorganicarsenic/organoarsenic by visible light-driven cell, Appl. Catal. B Environ,2024, 343: 123549.

文章链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S092633732301192X

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