預(yù)計(jì)到2030年，中國(guó)整個(gè)污水處理行業(yè)的溫室氣體排放量將占全國(guó)總碳排放量的2.95%，廢水處理過程中溫室氣體的直接排放加劇了氣候的惡劣變化。因此，將水中的有機(jī)污染物轉(zhuǎn)化為增值化學(xué)原料，成為緩解氣候變暖壓力和實(shí)現(xiàn)碳中和的一條有吸引力的策略。光催化或電催化技術(shù)目前已被應(yīng)用于有機(jī)污染物向碳?xì)浠衔锏难趸€原轉(zhuǎn)化，然而產(chǎn)物轉(zhuǎn)化效率低、選擇性低、能耗高等問題仍然鉗制著其工業(yè)應(yīng)用，不利于實(shí)際廢水的大規(guī)模處理。因此，開發(fā)一種低碳排放、高轉(zhuǎn)化率和高選擇性的廢水資源化技術(shù)具有重要環(huán)境意義。
近日，華東理工大學(xué)邢明陽(yáng)教授團(tuán)隊(duì)成功構(gòu)建了壓電催化與高級(jí)氧化技術(shù)（AOPs）耦合體系，實(shí)現(xiàn)了有機(jī)污染物向CO的高效轉(zhuǎn)化，從而在廢水處理過程中實(shí)現(xiàn)了有機(jī)物的資源化減少了碳排放。先采用簡(jiǎn)單的水熱法制備了具有壓電效應(yīng)的Co3S4/MoS2催化劑（圖a），再引入過一硫酸氫鹽（PMS）構(gòu)建了壓電催化與助催化芬頓耦合體系（Co3S4/MoS2/PMS/US）。Co3S4/MoS2/PMS/US體系表現(xiàn)出優(yōu)異的性能：99.9%的苯酚去除率以及69.32 μmol g-1的CO產(chǎn)率（圖b）。經(jīng)過對(duì)照實(shí)驗(yàn)和催化劑表面碳酸鹽濃度變化的XPS分析，證實(shí)了Co3S4/MoS2首先活化PMS產(chǎn)生SO4×-和·OH活性氧物種實(shí)現(xiàn)苯酚高效氧化（75.3%的TOC去除率），然后利用超聲誘導(dǎo)的壓電電子將苯酚氧化產(chǎn)物（碳酸鹽）還原成CO。與MoS2/PMS/US體系相比（圖c），Co3S4的引入構(gòu)建了Mo-S-Co電子轉(zhuǎn)移鏈（圖d），提高了Co3S4/MoS2的電荷轉(zhuǎn)移效率。同時(shí)，DFT計(jì)算證實(shí)（圖e）：Co3S4的引入在熱力學(xué)上促進(jìn)了碳酸鹽還原產(chǎn)CO，從而提高了反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和選擇性。當(dāng)苯酚濃度增加至40 ppm時(shí)，CO產(chǎn)量提高到40.72 μmol g-1 h-1，而且具有高達(dá)74.5%的選擇性（圖f和圖g）。隨著超聲處理時(shí)間的延長(zhǎng)，苯酚生成CO的轉(zhuǎn)化率達(dá)到16.6%（圖g）。此外，Co3S4/MoS2/PMS/US體系在高效處理各類污染物和實(shí)際工業(yè)廢水（圖h）的過程中，也可實(shí)現(xiàn)CO的高選擇性生成，而常規(guī)的芬頓和類芬頓體系（Fe2+/H2O2和Co2+/PMS）雖然可以實(shí)現(xiàn)有機(jī)物的礦化但無(wú)法生成CO。該工作首次通過壓電催化耦合高級(jí)氧化技術(shù)將有機(jī)污染物轉(zhuǎn)化為高附加值的化工原料，對(duì)實(shí)現(xiàn)廢水處理的低碳排放具有重要的推動(dòng)作用。
論文信息 Selective Production of CO from Organic Pollutants by Coupling Piezocatalysis and Advanced Oxidation Processes Dr. Maoxi Ran, Hai Xu, Dr. Yan Bao, Prof.?Dr. Yayun Zhang, Prof.?Dr. Jinlong Zhang, Prof.?Dr. Mingyang Xing Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202303728
