清華新聞網(wǎng)4月23日電（通訊員 高一凡）近年來(lái)，電催化膜因在水污染治理中的高效性能而備受關(guān)注，但其應(yīng)用受限于膜材料電催化性能的不足。提升催化活性的普遍共識(shí)是減小催化劑尺寸，理想狀態(tài)是將其控制在納米甚至單原子尺度。然而，在膜過(guò)濾或穿流等流動(dòng)水環(huán)境中，這類(lèi)高活性催化劑常面臨結(jié)構(gòu)脆弱、附著性差等問(wèn)題，制備難度大、成本高。如何將單原子或亞納米級(jí)催化劑高效、穩(wěn)定地錨定在導(dǎo)電骨架上，并構(gòu)建具備高比表面積、強(qiáng)電子耦合和良好機(jī)械穩(wěn)定性的三維一體化電催化膜，是當(dāng)前電催化研究領(lǐng)域面臨的重要挑戰(zhàn)之一。
近日，清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院黃霞課題組聯(lián)合北京林業(yè)大學(xué)、麻省理工學(xué)院、賓夕法尼亞州立大學(xué)等機(jī)構(gòu)，提出了一種電場(chǎng)限域電紡-電噴（DESP）策略，成功制備出單原子鈦及亞3納米碳氧化鈦（TiOxCy）高度分散于碳納米纖維網(wǎng)絡(luò)中的三維自支撐電催化膜（圖1）。
圖1.制備可實(shí)現(xiàn)高效電催化的單原子TiOxCy膜策略及效果
該電催化膜具備超高電化學(xué)活性表面積（ECSA達(dá)1840cm2/cm2）和優(yōu)異的機(jī)械穩(wěn)定性，在高通量（8370 L m?2h?1bar?1）、短停留時(shí)間（1.25s）下可實(shí)現(xiàn)高于99%的污染物去除率，且水處理單位能耗極低（0.022 kWh·m?3·order?1），在反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、能耗、過(guò)濾通量、污染物去除量等多方面都展示出相比已有研究更優(yōu)的能效表現(xiàn)（圖1N）。
研究表明，該膜結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了電催化位點(diǎn)的高密度分布和電子快速傳輸，具有高電化學(xué)活性表面積、電催化缺陷位點(diǎn)和穩(wěn)定熔融連接（圖2）。單原子Ti與TiOxCy亞納米簇通過(guò)電場(chǎng)限域電紡-電噴（DESP）及后續(xù)的熱處理過(guò)程與碳納米纖維牢固融合，形成共價(jià)連接，顯著提升了電催化活性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。在實(shí)驗(yàn)室階段，已經(jīng)能夠在單次DESP過(guò)程中制備出30cm×10cm的TiOxCy膜樣品（圖2G），具備放大生產(chǎn)以及制備其他元素單原子催化膜的潛力。
圖2.TiOxCy膜具有高電化學(xué)活性表面積、電催化缺陷位點(diǎn)和穩(wěn)定熔融連接
電催化降解污染物機(jī)制結(jié)合了短程直接電子轉(zhuǎn)移氧化和長(zhǎng)程單線(xiàn)態(tài)氧（1O2）等活性氧物種間接氧化，實(shí)現(xiàn)了對(duì)各類(lèi)水中有機(jī)污染物的多維高效降解（圖3）。使用多物理場(chǎng)耦合仿真計(jì)算揭示，亞3納米TiOxCy簇的引入有效促進(jìn)了催化活性中心由碳纖維向單原子團(tuán)簇轉(zhuǎn)移，顯著提升了污染物降解速率，并強(qiáng)化了膜過(guò)濾中的傳質(zhì)效果。多種污染物和運(yùn)行條件下的測(cè)試表明，TiOxCy膜憑借其獨(dú)特的三維分級(jí)結(jié)構(gòu)，構(gòu)建起協(xié)同作用的多維污染物降解屏障，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同類(lèi)型污染物的高效、廣譜凈化能力。
圖3.高度分散的單原子TiOxCy膜可確保污染物的多維高效降解
該研究不僅為電催化膜在高效低耗水處理領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新范式，也展示了在可擴(kuò)展、低成本條件下構(gòu)建高性能三維多功能單原子電極材料的可行性，為環(huán)境可持續(xù)及能源催化領(lǐng)域的發(fā)展提供了新的思路與技術(shù)支撐。
相關(guān)研究成果以“電場(chǎng)限域制備單原子TiOxCy電催化膜”（Electric-field-confined synthesis of single atomic TiOxCyelectrocatalytic membranes）為題，于4月18日在線(xiàn)發(fā)表于《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）。這是黃霞團(tuán)隊(duì)繼2023年在《自然·通訊》（Nature Communications）提出納米缺陷熱控策略用于提升電催化膜性能后的又一關(guān)鍵科研進(jìn)展。
清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院2022屆博士畢業(yè)生、麻省理工學(xué)院博士后高一凡為論文第一作者，清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院教授黃霞、北京林業(yè)大學(xué)教授梁帥與美國(guó)麻省理工學(xué)院教授李巨為論文共同通訊作者。環(huán)境學(xué)院教授梁鵬、副教授張瀟源、2020級(jí)博士生蔣成旭和2021屆本科畢業(yè)生張泉飚等為論文合作作者。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目和國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1126/sciadv.ads7154
供稿：環(huán)境學(xué)院
編輯：李華山
審核：郭玲
