东华大学刘艳彪团队JMCA：电活性Cu单原子/MXene纳米膜超快净化水- 大数跨境

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东华大学刘艳彪团队JMCA：电活性Cu单原子/MXene纳米膜超快净化水

科学材料站

2021-10-24

导读：本文研发了一套新型电催化过滤系统，将高级氧化和膜分离技术高效结合，利用辅助电场和Cu-SA协同活化PMS，实现了对新型微污染物磺胺甲恶唑(SMX)等新型污染物的超快降解。

文章信息

电活性Cu单原子/MXene纳米膜超快净化水

第一作者：靳丽敏

通讯作者：刘艳彪*，尤世界*

单位：东华大学，哈尔滨工业大学

研究背景

本文设计开发了一套新型电催化过滤系统，有效结合了高级氧化和膜分离的技术优势，利用辅助电场和Cu-SA协同活化PMS，进而实现了典型微污染物磺胺甲恶唑(SMX)的超快降解。Cu-SA改性MXene膜在系统中同时发挥了电极、滤膜和催化剂三重作用。

这一高效的降解效果在广泛的pH范围(4.5-9.0)和复杂的背景基质下同样得到了保持。Cu-SA/MXene优异的催化活性源于外加电场作用强化了Cu²⁺/Cu⁺的有效循环，穿透式电极的设计也显著增强了系统的对流传质效果，显著改善了电子和PMS的利用率。

本研究发现，铜的尺寸效应影响活性氧物种的类型。在Cu-SA/MXene/PMS体系中，非自由基(1O2)主导了SMX的降解过程，而Cu-NP/MXene/PMS体系中则由自由基(HO•)主导。

机理研究表明，缺电子的Cu原子易通过表面羟基与PMS反应生成中间体，通过破坏亚稳态中间体的配位键诱导生成1O2。作者还利用该体系实现了其它常见的难降解有机污染物的高效处理，进一步证实了该体系的实用性和稳定性。

文章简介

在这里，来自东华大学刘艳彪教授和哈尔滨工业大学尤世界教授团队共同在综合类期刊Journal of Materials Chemistry A上发表了题为“Electroactive Single-Atom Copper Anchored MXene Nanohybrid Filter for Ultrafast Water Decontamination”的文章。

本文研发了一套新型电催化过滤系统，将高级氧化和膜分离技术高效结合，利用辅助电场和Cu-SA协同活化PMS，实现了对新型微污染物磺胺甲恶唑(SMX)等新型污染物的超快降解。

图文摘要

图1. (a) Cu-SA/MXene纳米杂化膜的制备示意图；Cu-SA/MXene (b)，Cu-NC/MXene (c)，和Cu-NP/MXene (d)的FETEM图；Cu-SA/MXene (e)和Cu-NC/MXene (f)的像差校正HADDF-STEM图；Cu-SA/MXene纳米杂化膜截面FESEM图(g)。

文章要点

要点一：采用FETEM对Cu-SA/MXene (1b)，Cu-NC/MXene (1c)，Cu-NP/MXene (1d) 膜的表面形貌表征所示，Cu-NC直径约为2.5 nm，Cu-NP直径约为53.5 nm。采用像差校正HADDF-STEM对Cu-SA/MXene (1e)表征显示Cu-SA均匀的分布在MXene基底上，采用FESEM对Cu-SA/MXene膜的截面表征厚度约为156 μm。

图2. Cu K-边XANES光谱(a)；傅里叶变换的EXAFS k3加权x(k)函数(b)；Cu-SA/MXene的傅立叶变换-EXAFS拟合结果(c)；Cu箔、Cu-SA/MXene、CuO和Cu2O的WT-EXAFS光谱(d-g)。

要点二：采用X射线吸收近边结构(XANES)和扩展X射线吸收精细结构(EXAFS)测量方法研究了Cu-SA/MXene纳米膜的原子局部结构。

Cu-SA/MXene与Cu箔、CuO和Cu2O样品的k边XANES光谱表明，Cu-SA/MXene的近边吸收能位于CuO和Cu2O之间，表明在Cu-SA/MXene中存在Cu+和Cu2+ (2a)。傅里叶变换EXAFS光谱显示在约1.5 Å处的峰可归为Cu-O的散射(2b)。

此外，根据最优拟合结果，Cu-O配位数约为3.0 (2c)，说明Cu-O3配位是Cu-SA/MXene膜中Cu的主要形态。另外，Cu-SA/MXene膜的WT-EXAFS等高线的强度最大值约在4.1 Å-1处，对应于Cu-O配位。

图3. 不同的滤膜对SMX降解率(a)；不同淬灭剂对SMX的降解速率常数(b)；TEMP-1O2 (c) 和DMPO-•OH (d) 的EPR光谱；定量测定不同体系中1O2, •OH和SO4•− (e)；Cu-SA/MXene纳米膜在PMS和SMX溶液中的i-t曲线(10 mM Na2SO4为电解质) (f)。

要点三：图3a对比了多个体系的催化效果，结果表明Cu-SA/MXene膜在 1.0 V条件下的对SMX降解效果最佳。

此外，在电场的作用下，Cu2+/Cu+的循环得到了改善，可维持SMX 100%的降解率。淬灭实验表明Cu的尺寸效应影响活性氧物种的类型，在Cu-SA/MXene/PMS体系中以1O2为主，在Cu-NP/MXene/PMS体系中以•OH为主 (3b-e)。在Cu-SA/MXene/PMS体系中电子转移对SMX的降解也有贡献。

图4. PMS在Ti3C2Tx (a)表面和Cu-SA (b)位点上吸附自由能计算。

要点四：通过DFT计算验证PMS的反应位点的理论支持。构建了以PMS分子为末端的Cu-SA/Ti3C2Tx计算模型，其中加入K+离子作为反离子以维持电荷平衡。基于几何优化，PMS被稳定吸附在孤立的Cu-SA上，而不是Ti3C2Tx表面(4a)。结果表明，引入的Cu-SA是PMS的吸附位点。

随后，当O-O单键的长度从1.42 Å明显延长到1.48 Å时，PMS被激活。为了确定PMS作为还原剂或氧化剂的功能，采用Bader电荷分析研究了PMS与Ti3C2Tx之间的电荷转移。图4b显示了0.183|e|电子从PMS转移到Ti3C2Tx，表明PMS发生了氧化反应生成活性氧物种。

总结

该项工作设计开发了一种非自由基主导的新型Cu-SA/MXene电催化过滤系统，可实现有机污染物的高效、快速降解。穿透式的电极设计显著增强了对流传质，提升了污染物的降解动力学。

该系统在较宽的pH范围内和复杂的水基质中都保持了较高的污染物降解效率，并对其他常见的难降解有机物也实现了近100%的去除，表现出了其优异的稳定性和实用性。因此，基于电催化膜的高级氧化工艺为有机污染的有效治理提供了一种很有前景的技术。

文章链接

Electroactive Single-Atom Copper Anchored MXene Nanohybrid Filter for Ultrafast Water Decontamination.

https://doi.org/10.1039/D1TA07396F

通讯作者简介

刘艳彪教授.

东华大学环境学院教授、博导，生态环境部纺织工业污染防治工程中心副主任、东华大学水污染控制研究所所长。新加坡国立大学博士后研究员，哈佛大学访问学者，博士毕业于上海交通大学。担任《Environmental Functional Materials》创刊编委、《Chinese Chemical Letters》青年编委、中文核心期刊《工业水处理》青年编委。主要从事环境纳米技术和电活性分离膜领域的研究，在Accounts of Chemical Research、ES＆T和WR等环境领域权威期刊上发表论文100余篇，总被引4000余次，H指数36。主持编制《纺织工业污染防治可行技术指南》，荣获中国纺织工业联合会科技进步一等奖，入选上海市浦江人才计划。主持/参与国家自然科学基金（面上项目）、上海市自然科学基金、水专项和重点研发计划等多项研究课题。

靳丽敏，东华大学环境学院2020级博士研究生.

导师为刘艳彪教授。主要从事单原子/MXene纳米复合膜的环境应用研究，目前以第一作者身份发表J. Mater. Chem. A, J. Hazard. Mater., Chem. Comm.等SCI论文3篇。

课题组介绍

https://www.x-mol.com/groups/liu_group/

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