原位產(chǎn)H2O2耦合Fe(II)/Fe(III)自循環(huán)的新型芬頓技術(shù)在有機(jī)廢水處理領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。目前基于半導(dǎo)體催化劑的自循環(huán)芬頓體系大多以Fe(II)活化兩電子氧還原所產(chǎn)生的H2O2來(lái)啟動(dòng)芬頓反應(yīng)。然而，其反應(yīng)速率極易受到催化劑氧還原（O2 + 2H+ + 2e- → H2O2）和Fe(II)再生（Fe(III) + e- → Fe(II)）相互競(jìng)爭(zhēng)的限制。此外，該過(guò)程無(wú)法有效地利用催化劑的氧化能力。因此，開(kāi)發(fā)一種可以最大化利用催化劑氧化和還原能力，同時(shí)實(shí)現(xiàn)Fe(II)快速再生的芬頓體系尤為重要。
近日，河海大學(xué)敖燕輝教授課題組通過(guò)將Fe(III)引入 BiOIO3壓電催化體系中，成功誘導(dǎo)了兩電子水氧化產(chǎn)H2O2（2e- WOR-H2O2）和Fe (III)快速還原相耦合的壓電催化自循環(huán)芬頓（PSF）反應(yīng)。其中，F(xiàn)e(III)的加入可以大幅促進(jìn)BiOIO3壓電催化水氧化產(chǎn)H2O2動(dòng)力學(xué)，并利用壓電催化產(chǎn)生的電子完成Fe(III)/Fe(II)高效循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)有機(jī)污染物的快速降解。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，BIO壓電催化體系具有較高的2e- WOR-H2O2選擇性。根據(jù)DFT理論計(jì)算，該現(xiàn)象可能歸因于BIO表面對(duì)水分子的高吸附能以及奪電子傾向，同時(shí)反應(yīng)吉布斯自由能表明相比于4e- WOR路徑，2e- WOR擁有更低的反應(yīng)能壘。此外，應(yīng)力作用下BIO增強(qiáng)的氧化還原電勢(shì)和載流子遷移能力闡明了壓電催化2e- WOR-H2O2高活性的由來(lái)。基于BIO對(duì)2e- WOR-H2O2的高選擇性，作者在進(jìn)一步在反應(yīng)過(guò)程中引入Fe(III)以構(gòu)建 PSF體系，結(jié)果表明其擁有優(yōu)于BIO/ Fe(II) PSF體系的羥基自由基（·OH）產(chǎn)量。 通過(guò)鐵的原位物種檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，BIO/Fe(III) PSF體系中Fe(III)可被壓生電子快速還原為Fe(II)，并迅速與H2O2進(jìn)行芬頓反應(yīng)。電化學(xué)測(cè)試表明Fe(III)的加入可以顯著促進(jìn)WOR-H2O2的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。因此在增強(qiáng)的WOR-H2O2與快速的Fe(II)再生反應(yīng)的共同推動(dòng)下BIO/Fe(III) PSF體系展現(xiàn)出遠(yuǎn)高于BIO/Fe(II) PSF體系的污染物降解速率（3.5倍）。該研究為構(gòu)建高效的PSF體系提供了新的視角，打破了芬頓反應(yīng)中對(duì)Fe(III)的固有觀念。 論文信息 Highly Efficient FeIII-initiated Self-cycled Fenton System in Piezo-catalytic Process for Organic Pollutants Degradation Jing Xu, Qiang Zhang, Xin Gao, Peifang Wang, Huinan Che, Chunmei Tang, Yanhui Ao Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202307018
