具有高毒性以及難降解性的有機(jī)污染物在水體中不斷累積，對自然環(huán)境和人類健康具有嚴(yán)重的危害。壓電催化能夠利用自然界的機(jī)械能對污染物進(jìn)行降解，具有很好的發(fā)展前景。壓電催化可以和其它高級氧化技術(shù)進(jìn)行耦合，從而進(jìn)一步提升污染物的降解效率。壓電自芬頓系統(tǒng)（PESF）耦合了壓電與芬頓技術(shù)，通過活化原位生成的H2O2產(chǎn)生大量的羥基自由基（?OH），在環(huán)境污染治理中具有很好的應(yīng)用前景。但由于同時(shí)實(shí)現(xiàn)氧還原反應(yīng)（ORR）和水氧化反應(yīng)（WOR）生成H2O2具有挑戰(zhàn)性，導(dǎo)致雙氧水的產(chǎn)量仍不能滿足需求，這一弊端嚴(yán)重地限制著其實(shí)際應(yīng)用。在眾多壓電催化劑中，層狀鉍基材料（BBC）由于層間元素的可調(diào)控性、 Bi3+和O2-成鍵方式（成鍵數(shù)、鍵長等）的多樣性等，在產(chǎn)H2O2方面表現(xiàn)出很大的潛力。然而，極化電場強(qiáng)度較弱，活性位點(diǎn)不足和電荷分離效率不高等缺點(diǎn)在很大程度上限制了BBC的催化效率。
近日，河海大學(xué)敖燕輝教授以傳統(tǒng)的層狀鉍系材料BiOCl為基礎(chǔ)，通過一種簡單的水熱法合成了具有 [Bi3O4.25]中間層的壓電材料（Bi12O17Cl2），分析了[Bi3O4.25]層的引入與性能的關(guān)系，揭示了[Bi3O4.25]對材料極化特性、活性位點(diǎn)以及氧化還原能力的影響機(jī)制。
Bi12O17Cl2具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)。首先，對材料中Bi3+和O2-的成鍵方式以及鍵長進(jìn)行了細(xì)致分析，表明相較于傳統(tǒng)鉍基材料具有明顯的各相異性。其次，DFT理論計(jì)算表明[Bi3O4.25]的存在使得價(jià)帶的組成從原來的Cl 3p軌道轉(zhuǎn)化為O 2p軌道，在抵抗氧化失活的同時(shí)能夠充分利用壓電產(chǎn)生的空穴。最后。理論計(jì)算也證明了[Bi3O4.25]為O2和H2O的吸附提供了充足穩(wěn)定的吸附與活化位點(diǎn)。 壓電響應(yīng)力顯微鏡（PFM），電化學(xué)表征等結(jié)果證明了所合成的Bi12O17Cl2在外界機(jī)械力的作用下能夠誘導(dǎo)更強(qiáng)的極化電場，促進(jìn)載流子的遷移，同時(shí)Bi12O17Cl2也具有同步實(shí)現(xiàn)2e- ORR和2e- WOR產(chǎn)H2O2的帶隙條件。 基于上述優(yōu)點(diǎn)，在電子和空穴的互相促進(jìn)下，通過2e- ORR和2e- WOR雙通道同時(shí)壓電催化生成H2O2，實(shí)現(xiàn)了超高的H2O2產(chǎn)率 (7.76 mM h-1 g-1)。并且在此基出上成功地構(gòu)建了Bi12O17Cl2-PESF。在Fe2+的活化下，對ACE的降解速率達(dá)到了0.023 min-1，可以持續(xù)產(chǎn)生H2O2并原位活化產(chǎn)生羥基自由基（·OH），有效地避免外加H2O2存在成本高等缺點(diǎn)。該體系的成功構(gòu)建為層狀材料的結(jié)構(gòu)調(diào)控提供了有價(jià)值的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，同時(shí)也將促進(jìn)壓電催化技術(shù)在水污染治理領(lǐng)域的發(fā)展。 論文信息 Triggering Dual Two-electron Pathway for H2O2 Generation by Multiple [Bi?O]n Interlayers in Ultrathin Bi12O17Cl2 towards Efficient Piezo-self-Fenton Yang Wu, Prof.?Dr. Peifang Wang, Huinan Che, Wei Liu, Prof.?Dr. Chunmei Tang, Prof.?Dr. Yanhui Ao Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202316410
