第一作者：于婷婷
通讯作者：江吉周
通讯单位：武汉工程大学环境生态与生物工程学院，绿色化工过程教育部重点实验室，磷资源开发与利用教育部工程研究中心，新型催化材料湖北省工程研究中心
DOI: 10.1016/j.jmst.2023.12.004
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光电催化燃料电池系统(PFC)的兴起为废水处理提供了一种高效、环保的方法。然而，如何实现废水低能耗、高效净化仍然具有挑战。本研究通过调控材料能带结构，合成了Z型TiO2/GO/g-C3N4光阳极与S型BiOAc1-xBrx/BiOBr光阴极，构建了Z-S型PFC，实现了阳极室（94.87%）与阴极室（96.33%）同时高效降解盐酸四环素(TC)并产生一定电能。对两极进行了分析表征，并研究了pH、污染物浓度等一系列影响因素，确定了最佳的降解条件。结合密度泛函理论(DFT)计算、高效液相色谱-质谱(HPLC-MS)等数据，确定了TC的最佳降解途径。并进一步阐明了该系统电子产生、传递与污染物降解机制。该Z-S型PFC的构建有助于电子在电极之间转移，进而提高光催化与污染物降解效率，为废水低能耗、高效净化提供了新思路。
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研究背景
后疫情时代，抗生素的广泛使用导致抗生素废水大量累计，对环境水体的污染造成了巨大威胁，因此去除水体中抗生素成为一个不可忽视的挑战。光电催化燃料电池（PFC）是一种新型的废水处理技术，在光的作用下可产生高活性自由基，实现废水净化，但由于其可见光响应弱、稳定性差，导致电极的使用寿命缩短。因此，增强催化材料的可见光响应、抑制电子与空穴复合成为该研究领域的热点。
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研究出发点
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图文解析
图 1. (a)BiOAc1-xBrx/BiOBr阴极催化剂制备流程图；(b) PFC系统示意图。
图 2. (a) BiOAc、(b) BiOBr、(c) BiOAc1-xBrx/BiOBr的SEM图像，(d-g) BiOAc1-xBrx/BiOBr的元素成像图，(h) BiOAc1-xBrx/BiOBr的TEM与(i) HRTEM图像。
图3. (a) XRD图谱，(b) BiOAc、BiOBr与BiOAc0.2Br0.8/BiOBr的FTIR光谱。
图4. BiOAc0.2Br0.8/BiOBr与BiOBr的XPS谱图: (a) C 1s，(b) Br 3d，(C) Bi 4f，(d) O 1s。
图5. PFC中TC（20 mg·L-1）降解的影响因素：(a) BiOAc1−xBrx/BiOBr比例，(b) TC浓度(100 mL, pH=3)，(c) 动力学曲线，(d) pH，(e)电解质，(f)可重复使用性能。
图6. BiOAc0.2Br0.8/BiOBr降解TC途径示意图。
图7. PFC系统电子传递机制。
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总结与展望
综上所述，本研究以BiOAc1−xBrx/BiOBr为阴极，TiO2/GO/g-C3N4为阳极，构筑了Z-S型PFC系统，实现阴阳两极同时高效降解TC。通过改变催化剂配比、TC浓度、pH和电解质浓度等实验参数，考察了上述因素对TC光降解的影响，结果表明，当x =0.8且pH为酸性时，TC（60 mg·L−1）降解效率高达96.33%（2 h）。通过DFT计算等确定了污染物降解途径，并深入探讨了该Z-S型PFC电子产生、传输和污染物降解机制。结果表明，该系统在酸性和中性条件下，均具有较好的污染物降解性能，为PFC的构建与污染物降解提供了新的思路。
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课题组简介
于婷婷 (第一作者)
江苏海洋大学环境与化学工程学院环境工程系副主任，副教授，硕士生导师。主要研究方向为光电催化材料构筑与应用。主持各类课题共计19项，其中包括江苏省自然科学基金青年基金项目、中国博士后项目、江苏省博士后项目、江苏省产学研项目、连云港市博士后课题、连云港市揭榜挂帅（成果转化）项目等纵向课题13项，横向课题6项。获批江苏省双创计划科技副总，连云港市花果山英才计划科技副总、双创博士。发表学术论文34篇，申请发明专利11件（8件授权，1件实审），授权实用新型专利3件。获青年教师授课比赛三等奖、优秀毕业论文指导教师、优秀班主任、先进个人等荣誉称号。指导本科生获江苏省优秀毕业论文三等奖1项、校优秀毕业论文10项；指导本科生获各类奖项8项、大学生创新创业项目13项。指导研究生省级竞赛获奖12项、江苏省研究生科研创新计划项目2项。
江吉周 (通讯作者)
武汉工程大学，教授，新型催化材料湖北省工程研究中心常务副主任。兼任SCI收录期刊《Carbon Letters》副主编、《Journal of Industrial and Engineering Chemistry》副主编、《Reviews on Advanced Materials Science》副主编、《Journal of Materials Science & Technology》青年编委等。湖北省“楚天学者计划”入选者、湖北省首批中小微企业“科技副总”入选者。获武汉工程大学10位“最美”教师、“优秀青年”、“科研工作先进个人”、“百佳导师”、“青年岗位能手”、“优秀硕士学位论文指导老师”等荣誉称号；所指导的研究生多人获“国家奖学金”、“优秀研究生”、“优秀研究生干部”、“优秀研究毕业生”、“优秀硕士学位论文”等荣誉称号。近年来一直致力于新型二维碳基材料的光/电催化。现已主持国家自然科学基金项目、湖北省重点研发计划项目、湖北省自然科学基金项目、中国博士后科学基金面上项目、国家自然资源部重点实验室开放基金等多项科研项目，取得了一些创新性的研究成果；在Chemical Society Reviews (2篇正封面论文)、Advanced Functional Materials、Journal of Materials Science & Technology、Applied Catalysis B: Environmental、Small、Nano Research、Chinese Journal of Catalysis等国内外权威学术期刊上发表了160多篇论文；获中国石油和化学工业联合会科技进步奖二等奖1项，湖北省自然科学奖叁等奖1项。
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引用本文
Tingting Yu, Bing Yang, Rong Zhang, Chenyu Yang, Arramel, Jizhou Jiang, Fabrication of a novel Z-S-scheme photocatalytic fuel cell with the Z-scheme TiO2/GO/g-C3N4 photoanode and S-scheme BiOAc1−xBrx/BiOBr photocathode for TC degradation, J. Mater. Sci. Technol. 188 (2024) 11-26.
编辑：刘晓橙
校对：王洪宇
审核：周海燕