Себя

Nature Communications, том 13, номер статьи: 4982 (2022) Цитировать эту статью

6343 Доступа

24 цитаты

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Миллионы семей во всем мире по-прежнему уязвимы к нехватке воды и не имеют доступа к питьевой воде. Усовершенствованные процессы окисления (АОП) являются эффективным способом очистки воды с использованием квалифицированных активных форм кислорода (АФК), хотя им препятствуют дорогостоящие и утомительные процессы, связанные как с вводом расходного реагента, производством АФК, так и с предварительной обработкой вспомогательных веществ. электролит. Здесь мы объединяем производство H2O2 с помощью солнечного света из воды и реакции, подобные фотофентону, в самоциклируемую систему с использованием искусственного листа, достигая скорости производства H2O2 без посторонней помощи 0,77 мкмоль/(мин·см2) в течение 1 Солнца утра. 1,5 освещенность. Кроме того, большой (70 см2) искусственный лист использовался для автономной солнечной системы, активируемой бикарбонатом перекиси водорода (BAP) с переработанными катализаторами для очистки сточных вод в реальном времени, требующей только воды, кислорода и солнечного света. Эта демонстрация подчеркивает осуществимость и масштабируемость фотоэлектрохимической технологии для децентрализованного управления окружающей средой, от лабораторных столов до промышленности.

Усовершенствованные процессы окисления (АОП) являются признанным подходом, который может эффективно удалять различные органические загрязнения в водных растворах, поскольку образующиеся активные формы кислорода (АФК) обладают сильными окислительными способностями для минерализации органических молекул1. Реакция Фентона является одним из наиболее характерных АОП, который может быстро генерировать гидроксильные радикалы (·OH) с высокой концентрацией, поэтому широко применяется в технике очистки сточных вод2. Однако реакция Фентона представляет собой необратимый процесс, требующий постоянной подачи различных химических реагентов, таких как H2O2, соли железа, кислоты/щелочи и др., что увеличивает затраты на весь процесс очистки сточных вод более чем в один раз3. Гетерогенный фотокатализ на полупроводниках может генерировать ряд АФК посредством фотоиндуцированных окислительно-восстановительных процессов, которые считаются экологически чистыми и устойчивыми АОП с доступной стоимостью4. За последние несколько десятилетий многочисленные усилия были направлены на фотокаталитическое разложение органических загрязнений путем разработки или проектирования различных фотокатализаторов и фотокаталитических систем1,5. Однако прямая генерация АФК посредством фотоиндуцированных окислительно-восстановительных процессов в водных растворах глубоко ограничена быстрой рекомбинацией фотоиндуцированных пар электронов/дырок и высокими термодинамическими барьерами генерации радикалов (например, ·O2- при -0,33 В и ·OH при 1,99 В по сравнению с нормальный водородный электрод, NHE), а совмещенный фотокатализ с реакцией Фентона, так называемая фотореакция Фентона, требует также подачи H2O26,7. Поэтому существует острая необходимость найти действительно эффективные, недорогие и устойчивые АОП.

В последние годы обнаружено, что бикарбонат (HCO3-) может не только реагировать с H2O2 с образованием HCO4- с высокой реакционной способностью, но также действовать как вспомогательное средство для водоокислительного выделения H2O2 в фотоэлектрохимических (PEC) условиях посредством обратимой реакции, как следует8,9:

Вышеупомянутая обратимая реакция дает возможность образования и разложения H2O2 in situ в водном растворе, содержащем HCO3-, при освещении солнечным светом10,11,12. Кроме того, сообщалось, что сосуществование HCO4- и H2O2 способствует образованию различных АФК (·O2-, ·OH, CO3•- и др.) за счет активации ионов Co, Cu или Mn13,14,15. Корреляция между HCO3-, H2O2, HCO4- и видами свободных радикалов вдохновила нас на разработку самоциклической системы АОП с высокой эффективностью и доступной стоимостью16,17,18.

Здесь мы предлагаем самоциклическую систему, подобную Фентону, на основе специально разработанного искусственного листа, реализующую устойчивую реакционную систему для очистки сточных вод (рис. 1а). Во-первых, искусственный лист, стимулируемый солнечной энергией, состоящий из фотоэлектрода SnO2-x/BiVO4/WO3 и модифицированных политетрафторэтиленом (ПТФЭ) одноатомных катализаторов Mo/газодиффузионного электрода с слегка восстановленным оксидом графена, покрытого оксидом графена (PTFE@Mo-SACs). /mrG-GDE) катод обеспечивает эффективное производство H2O2 в бикарбонатсодержащем электролите со скоростью производства 0,77 мкмоль/(мин см2) при освещении AM 1,5 G, что соответствует эффективности преобразования солнечной энергии в перекись водорода без смещения ( ШИЭ) 1,46%. Во-вторых, образующийся H2O2 может быть немедленно активирован in situ в основные ·OH, ·O2- и 1O2 и др. посредством катализа частиц Mn(II) в бикарбонатном электролите, и частицы Mn(II) соответственно окисляются до высоковалентных частиц Mn(IV). В-третьих, частицы Mn могут быть переработаны путем восстановления частиц Mn(IV) до Mn(II) на катоде (рис. 1а). В результате самоциклический процесс, требующий только воды, кислорода и солнечного света, демонстрирует долговременную стабильность в течение более одного месяца при удалении различных органических загрязнителей.