【引言】電(diàn)芬頓（EF）技術的基本原理是溶解氧在合适的陰極催化材料表面通過二電(diàn)子氧還原反應（ORR）生(shēng)成H2O2，然後H2O2與溶液中(zhōng)的Fe2+反應，生(shēng)成羟基自由基（•OH）。
【引言】
電(diàn)芬頓（EF）技術的基本原理是溶解氧在合适的陰極催化材料表面通過二電(diàn)子氧還原反應（ORR）生(shēng)成H2O2，然後H2O2與溶液中(zhōng)的Fe2+反應，生(shēng)成羟基自由基（•OH）。由于Fe2+和H2O2在EF過程中(zhōng)可以原位生(shēng)成，并且生(shēng)成的•OH具有超強氧化性和對有機污染物(wù)的非選擇性，因此EF技術不僅可以高效、徹底地降解有機污染物(wù)，而且可以彌補傳統污水處理技術的一(yī)些不足。然而，傳統EF技術的工(gōng)業化發展主要受制于需要來自于化石燃料适度燃燒産生(shēng)的大(dà)量電(diàn)能消耗和EF過程中(zhōng)生(shēng)成H2O2的陰極催化劑催化活性低。爲了解決這些問題，進一(yī)步推動EF的普及和應用，近年來，我(wǒ)們不遺餘力地從能源供應源和制備催化活性優異的優質陰極材料兩方面，對EF降解系統進行升級優化。創新性的引入摩擦納米發電(diàn)機（TENG）作爲電(diàn)能供應源，TENG作爲一(yī)種新興的能量采集/轉化技術，已成功将人體(tǐ)運動、振動、風、海浪等産生(shēng)的機械能轉化爲可用的電(diàn)能，并廣泛應用于電(diàn)化學過程、人工(gōng)智能、生(shēng)物(wù)傳感系統、軟體(tǐ)機器人、柔性電(diàn)子、藍(lán)色海洋能開(kāi)發等領域，展現出巨大(dà)的應用前景，爲驅動EF系統提供了摒棄燃燒化石燃料的完美能源解決方案。另外(wài)，分(fēn)級多孔碳材料由于通常具有可調諧的催化活性、充足的來源、優異的化學穩定性和導電(diàn)性等優點而作爲EF反應中(zhōng)H2O2電(diàn)化學合成的替代催化劑，并且已展現出巨大(dà)的應用潛力。爲了進一(yī)步提升自驅動降解系統的性能，研究人員(yuán)創新性地引入3D打印技術拟構建具有個性化結構、高輸出特性、工(gōng)作性能穩定和持久耐用、易于批量化生(shēng)産的TENG裝置，并且設計制作了一(yī)種波浪狀多層集成的柔性摩擦納米發電(diàn)機（PFW-TENG）作爲自驅動能量源。此外(wài)，研究人員(yuán)以艾草爲前驅體(tǐ)，通過調節緻孔劑含量有效地調節制備的N摻雜(zá)分(fēn)級多孔碳材料上C-O-C和COOH官能團的含量，進而探索制備出具有較高催化活性的碳材料催化劑。将PFW-TENG與制備的高催化活性的碳材料催化劑相結合構建的自驅動電(diàn)芬頓降解系統在58分(fēn)鍾内實現對亞甲藍(lán)有機染料污水高達98.1%的降解效率。此外(wài)，研究人員(yuán)還發現，碳材料催化劑中(zhōng)C-O-C和COOH含氧官能團的含量與MB降解效率呈正相關。
【成果簡介】
近日，在河南(nán)師範大(dà)學高書(shū)燕教授團隊等人帶領下(xià)，研究人員(yuán)從自驅動能量源和制備高質量催化活性EF催化劑兩個方面，對自驅動EF降解體(tǐ)系進行升級和優化。該研究利用創新性地引入3D打印技術制作了一(yī)種波浪狀多層集成的柔性摩擦納米發電(diàn)機（PFW-TENG），并且以艾葉爲碳前驅體(tǐ)，以MgO和ZnCl2爲雙緻孔劑，制備催化性能可調的生(shēng)物(wù)質基富含含氧官能團的N摻雜(zá)多孔碳材料催化劑，用于構建自驅動EF降解亞甲基藍(lán)（MB）體(tǐ)系。所述的PFW-TENG呈現較高的輸出特性，Voc、Isc、Qtr、Pdensity分(fēn)别達到610 V、1.93 mA、4.17 μC、6.1 W m-2。并且制備的碳材料催化劑，氮含量高達4.0 %、缺陷度1.27、比表面積1606 m2·g-1。該研究所構建的自驅動電(diàn)芬頓降解系統在58 min内實現對亞甲藍(lán)98.1%的高效降解。此外(wài)，研究人員(yuán)還發現，碳材料催化劑中(zhōng)C-O-C和COOH含氧官能團的含量與MB降解效率呈正相關。本工(gōng)作創新性地實現了陰極EF技術、氮摻雜(zá)多孔碳材料制備技術、數字化3D打印技術的深度融合，并進一(yī)步将其應用于有機污染物(wù)的電(diàn)化學催化降解，爲自驅動電(diàn)芬頓降解系統的大(dà)規模應用提供了創新思路。該成果以題爲“Self-powered electro-Fenton degradation system using oxygen-containing functional groups-rich biomass-derived carbon catalyst driven by 3D printed flexible triboelectric nanogenerator”發表在了Nano Energy上。（本文第一(yī)作者是朱迎正，在讀博士，導師高書(shū)燕教授）
【小(xiǎo)結】
綜上所述，團隊以艾葉和MgO-ZnCl2爲碳前驅體(tǐ)和多孔劑，精心合成了富含含氧官能團N摻雜(zá)分(fēn)級多孔炭材料催化劑，此外(wài)，引入3D打印技術，獲得具有高輸出特性、穩定性和耐久性、易于批量加工(gōng)的柔性TENG。構建了由PFW-TENG驅動的自供電(diàn)EF降解MB系統，在58 min内MB脫色效率高達98.1%。并且，研究人員(yuán)發現，碳材料中(zhōng)C-O-C和COOH的含量與MB分(fēn)解效率呈正相關。該工(gōng)作創新性地實現了陰極EF技術、含氧官能團富N摻雜(zá)多孔碳材料制備技術、數字化3D打印技術的深度融合，并進一(yī)步将其應用于有機污染物(wù)的電(diàn)化學催化降解，爲自驅動EF系統的大(dà)規模應用提供了創新思路。
轉載自微信公衆号：材料人
