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浙工大董飛龍/廣西大學聶雙喜 Nano Energy:脈沖直流電助力廢水光電耦合催化降解
2022-06-21  來源:高分子科技

  農藥在全球范圍內的廣泛使用造成嚴重的水質污染。阿特拉津(ATZ)是其中用于除草的殺蟲劑之一,它具有穩定結構和環境持久性,在水生生態系統中大量頻繁檢出。部分研究人員已證實ATZ是人體潛在的致癌因子。隨著人類長期從環境中攝入ATZ,ATZ的毒性將在體內積累并對人體健康構成風險。然而,ATZ難以通過傳統的廢水處理方式對其進行有效降解,因此,迫切需要尋找一種高效且綠色的處理方法。



  鑒于此,浙江工業大學董飛龍博士和廣西大學聶雙喜教授合作開發了一種球形摩擦納米發電機(S-TENG,通過脈沖直流電提高降解ATZ的光催化效率。本研究考察不同條件下S-TENG的電輸出性能,確定其最佳輸出條件。通過采用光電極(TiO2納米管)和光催化劑(6HF-TiO2納米片)協同降解體系,進一步提高ATZ的光利用率和降解效率。在脈沖直流電場光電催化體系中,ATZ的去除率提高了8.53%30min內礦化率提高了27.2%同時,通過EPR試驗和自由基猝滅實驗證明了ATZ的降解機理,結果表明,在光電催化降解過程中,摩擦電脈沖直流增加了自由基的生成。此外,羥基自由基(即?OH)在自供電光電催化系統ATZ的降解中起著至關重要的作用。


  該研究為提高光催化處理農藥污染提供了一種有前景的方法,對未來農藥降解的研究具有重要的指導意義。相關成果以題為“Triboelectric nanogenerator enhanced radical generation in a photoelectric catalysis system via pulsed direct-current”發表在國際著名期刊Nano Energy》上。 



 1.a) 基于水波驅動的S-TENG的自供電光催化系統用于水中ATZ降解(bS-TENG和(c)不同系統下的ATZ降解效率圖(dATZ降解的反應路徑。


  S-TENG的輸出性能。由于S-TENG的具有多個發電單元,電學性能具有高度的對稱性,因此可以實現水波能多角度的有效轉換。其最大開路電壓可達102V,最大電流可達5 μA,整流后,電壓和電流可能達到7 V5 μA



 2. S-TENG的電輸出性能(aS-TENG的基本工作機制(b)不同面積和單位數發電單元的示意圖(c)輸出性能測試示意圖(d)和(e)單個發電單元在不同面積下的產出性能(f)和(g)不同發電單元數的電輸出性能(h)和(i)整流后的電輸出性能。


  光催化材料的制備及表征采用傳統陽極氧化法制備TiO2納米管,水熱法制備6HF-TNSsTiO2納米管方面,XPS進一步研究了TNT的表面元素組成,所有TiO2納米管中均存在化學吸附氧和晶格氧。由于氧缺陷數量大,暴露表面積大,晶格氧峰面積高于化學吸附氧。活性化學吸附氧占氧氣儲存的很大比例,可以捕獲光生電荷載體,并作為活性位點來改善光催化降解。6HF-TNSs方面,XPS顯示出較高的F峰導致6HF-TNSs降解性能顯著提高。



 3.a)和(bTNT6HF-TNSsSEM掃描電鏡圖像(c)和(d6OH-TNSsTNPSEM掃描電鏡圖像(eTNTXDR譜圖(fTNTsXPS光譜圖以及(gO 1sTi 2p的詳細譜圖(h6HF-TNSs6OH-TNSsTNPXDR譜圖(i6HF-TNS6OH-TNSsTNPXPS光譜圖以及(jO 1sTi 2pF 1s的詳細譜圖。


  通過水波驅動的S-TENG去除ATZ自供電光催化系統。S-TENG提供電場時,30 minATZ去除率達到100%。而沒有S-TENG驅動的情況下,去除效率僅為91.47%。同時,系統在30分鐘內礦化率達到54.95% 



 4.a)自供電光催化系統實物圖(b)不同電機轉速下的電流(c)不同電機轉速下ATZ的降解(d)不同降解系統條件下的礦化率(e)自供電光電催化系統中,6HF-TNSs/TNT在五個實驗周期后的可重復使用性能。


  脈沖直流電助力水中ATZ高效降解的機理在自供電系統中,S-TENG提供的外部電場有助于分離電子-空穴對并促進電荷轉移到光催化電極及光催化劑表面。在電場驅動下,?OH?O2-h+峰信號強度明顯高于黑暗條件下及單純光催化條件下的峰信號強度,表明三種活性物質在自供電光電催化系統中生成量更多,對ATZ去除效率更高的巨大優勢。此外,由于S-TENG的存在,廢水中水波能量得到有效收集并被用于進一步降低廢水處理成本。 


 5.a6HF-TNSTNT的材料模擬圖(b)自供電脈沖直流電光電催化系統的機理(c)不同因素下DMPO在光催化系統中捕獲的?OHEPR光譜(dDMPO在不同因素下在光催化系統中捕獲的?O2-EPR光譜(e)不同因素下DMPO在光催化系統中捕獲的h+EPR光譜(f)不同自由基淬滅劑條件下ATZ降解(g?O2-?OH h+ATZ降解效率的貢獻(h)不同自由基淬滅劑條件下的ATZ降解效率。


  這項工作展示了一種高效的自供電光電催化系統,可提高ATZ的去除效率。60 min內該系統的ATZ去除效率達到100%。此外,系統地解釋了自供電光催化系統的工作機理。外電場的存在可以產生更多的?OH?O2-h+,它們在自供電光催化反應中起重要作用。該系統利用廢水處理過程中浪費的水波機械能及太陽能,實現ATZ的高效降解,為凈化水提供了一種有效的方法。


  原文鏈接:https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2211285522005924

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(責任編輯:xu)
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