清華新聞網(wǎng)10月21日電 水體環(huán)境中有害化合物的積累超出了生態(tài)系統(tǒng)的自降解能力，這對(duì)水生態(tài)造成重大的修復(fù)挑戰(zhàn)。電化學(xué)技術(shù)由于易于自動(dòng)化且適用于分布式系統(tǒng)集成等特性受到了相關(guān)研究學(xué)者的青睞。因此，在既定的配置和設(shè)計(jì)理念下保持電極材料的長(zhǎng)期使用壽命是電催化工藝研發(fā)的重點(diǎn)，特別是對(duì)于在惡劣條件下運(yùn)行的基于鐵功能化陰極的非均相電芬頓（EF）工藝。
為此，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院張正華課題組開(kāi)發(fā)了一種有效且通用的電泳沉積封裝工程策略，合理設(shè)計(jì)并構(gòu)建由超薄碳層封裝的分層復(fù)合陰極平臺(tái)（FeOCl/CC@rGO）。電化學(xué)表征結(jié)果表明，碳層優(yōu)異的2電子ORR選擇性可以有效消除傳統(tǒng)復(fù)合陰極制備過(guò)程中由于空間位阻效應(yīng)造成的碳活性位點(diǎn)損失，恢復(fù)其原位生產(chǎn)H2O2性能。同時(shí)一系列控制對(duì)照實(shí)驗(yàn)表明該電極可借助電子穿透效應(yīng)賦予碳外殼芬頓催化功能，阻斷反應(yīng)介質(zhì)對(duì)活性金屬的侵蝕破壞，打破非均相電芬頓工藝所面臨的活性-穩(wěn)定性權(quán)衡難題。此外，研究人員結(jié)合周期性密度泛函理論（DFT）和實(shí)驗(yàn)分析建立了電子穿透效應(yīng)觸發(fā)最外層rGO表面H2O2活化的潛在分子機(jī)制，rGO殼表面富集的電子來(lái)源于FeOCl中的低價(jià)Fe（Ⅱ）位點(diǎn)，同時(shí)這些電子向H2O2的定向轉(zhuǎn)移受rGO表面氧基團(tuán)的種類(lèi)和豐度共同調(diào)節(jié)。該研究成果成功將“鎧甲催化”概念滲透至水環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域，為推動(dòng)電化學(xué)高性能電極材料的理性設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)和新思路。
圖1.封裝陰極材料的合成和微結(jié)構(gòu)表征
圖2.rGO表面性質(zhì)與陰極活性構(gòu)效關(guān)系的DFT理論計(jì)算
相關(guān)研究成果以“克服非均相電芬頓催化中的活性-穩(wěn)定性權(quán)衡：將碳布支撐的氧基氯化鐵封裝在石墨層中”（Overcoming the Activity-Stability Trade-Off in Heterogeneous Electro-Fenton Catalysis: Encapsulating Carbon Cloth-Supported Iron Oxychloride within Graphitic Layers）為題，在線(xiàn)發(fā)表在國(guó)際期刊《美國(guó)化學(xué)會(huì)·催化》（ACS Catalysis）上。該論文第一作者為清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院2021級(jí)博士后崔樂(lè)樂(lè)，通訊作者為清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院副教授張正華。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、深圳市基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目等項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1021/acscatal.2c03571
供稿：深圳國(guó)際研究生院
題圖設(shè)計(jì)：任帥
編輯：李華山
審核：呂婷
