Selbst

Nature Communications Band 13, Artikelnummer: 4982 (2022) Diesen Artikel zitieren

6343 Zugriffe

24 Zitate

1 Altmetrisch

Details zu den Metriken

Millionen Familien auf der ganzen Welt leiden weiterhin unter Wasserknappheit und haben keinen Zugang zu Trinkwasser. Fortgeschrittene Oxidationsprozesse (AOPs) sind ein effektiver Weg zur Wasserreinigung mit qualifizierten reaktiven Sauerstoffspezies (ROSs), werden jedoch durch den hohen Kosten- und langwierigen Prozess bei der Eingabe von Verbrauchsreagenzien, der Produktion von ROSs und der Vorbehandlung des Trägermaterials behindert Elektrolyt. Hierin koppeln wir die durch Sonnenlicht unterstützte H2O2-Produktion aus Wasser und Photo-Fenton-ähnliche Reaktionen in ein selbstzyklisches System, indem wir ein künstliches Blatt verwenden und so eine nicht unterstützte H2O2-Produktionsrate von 0,77 μmol/(min·cm2) unter 1 Sonne morgens erreichen 1,5 Beleuchtung. Darüber hinaus wurde ein großes (70 cm2) künstliches Blatt für ein nicht unterstütztes, solarbetriebenes System mit bikarbonataktiviertem Wasserstoffperoxid (BAP) mit recycelten Katalysatoren für die Abwasserreinigung in Echtzeit verwendet, wobei nur Wasser, Sauerstoff und Sonnenlicht benötigt werden. Diese Demonstration unterstreicht die Machbarkeit und Skalierbarkeit der photoelektrochemischen Technologie für dezentrale Umweltverwaltungsanwendungen vom Labortisch bis zur Industrie.

Fortgeschrittene Oxidationsprozesse (AOPs) sind ein anerkannter Ansatz, mit dem verschiedene organische Verschmutzungen in wässrigen Lösungen wirksam behandelt werden können, da die erzeugten reaktiven Sauerstoffspezies (ROSs) über starke Oxidationsfähigkeiten zur Mineralisierung der organischen Moleküle verfügen1. Die Fenton-Reaktion ist eine der repräsentativsten AOPs, die schnell Hydroxylradikale (·OH) in hoher Konzentration erzeugen kann und daher in der Abwasseraufbereitungstechnik weit verbreitet ist2. Allerdings ist die Fenton-Reaktion ein irreversibler Prozess, der die kontinuierliche Zufuhr verschiedener chemischer Reagenzien wie H2O2, Eisensalz, Säure/Laugen usw. erfordert, was die Kosten des gesamten Abwasserbehandlungsprozesses um mehr als ein Vielfaches erhöht3. Heterogene Photokatalyse über Halbleitern kann durch photoinduzierte Redoxprozesse eine Reihe von ROSs erzeugen, die als umweltfreundliche und nachhaltige AOPs mit erschwinglichen Kosten gelten4. In den letzten Jahrzehnten wurden zahlreiche Anstrengungen unternommen, um den photokatalytischen Abbau organischer Schadstoffe durch die Entwicklung oder Konstruktion verschiedener Photokatalysatoren und photokatalytischer Systeme zu fördern1,5. Die direkte Erzeugung von ROSs durch photoinduzierte Redoxprozesse in wässrigen Lösungen wird jedoch durch die schnelle Rekombination photoinduzierter Elektron/Loch-Paare und hohe thermodynamische Barrieren der Radikalerzeugung (z. B. ·O2− bei −0,33 V und ·OH bei 1,99 V vs. Normalwasserstoffelektrode, NHE), während die kombinierte Photokatalyse mit der Fenton-Reaktion, die sogenannte Photo-Fenton-Reaktion, ebenfalls die Zufuhr von H2O26,7 erfordert. Daher besteht ein großer Bedarf, tatsächlich effiziente, kostengünstige und nachhaltige AOPs zu finden.

In den letzten Jahren wurde festgestellt, dass Bicarbonat (HCO3−) nicht nur mit H2O2 reagieren kann, um HCO4− mit hoher Reaktivität zu bilden, sondern auch als Hilfsmittel für die wasseroxidative H2O2-Entwicklung unter photoelektrochemischen (PEC) Bedingungen durch eine reversible Reaktion fungieren kann folgt8,9:

Die obige reversible Reaktion bietet die Möglichkeit einer In-situ-Erzeugung und Zersetzung von H2O2 in einer wässrigen Lösung, die HCO3− enthält, unter Sonnenlichteinstrahlung10,11,12. Darüber hinaus wurde berichtet, dass die Koexistenz von HCO4− und H2O2 die Bildung verschiedener ROSs (·O2−, ·OH, CO3·− et al.) durch Co-, Cu- oder Mn-Ionenaktivierung erleichtert13,14,15. Die Korrelation zwischen HCO3−, H2O2, HCO4− und freien Radikalspezies inspiriert uns, ein selbstzyklisches AOP-System mit hoher Effizienz und erschwinglichen Kosten zu entwickeln16,17,18.

Hier schlagen wir ein selbstzyklisches Fenton-ähnliches System vor, das auf dem bewusst gestalteten künstlichen Blatt basiert und das nachhaltige Reaktionssystem für die Abwasserbehandlung realisiert (Abb. 1a). Erstens besteht das solarbetriebene, nicht unterstützte künstliche Blatt aus einer SnO2-x/BiVO4/WO3-Fotoelektrode und einer mit Polytetrafluorethylen (PTFE) modifizierten Mo-Einzelatomkatalysatoren/mit leicht reduziertem Graphenoxid beschichteten Gasdiffusionselektroden (PTFE@Mo-SACs). /mrG-GDE)-Kathode erfüllt die effiziente H2O2-Produktion in einem bikarbonathaltigen Elektrolyten mit einer Produktionsrate von 0,77 μmol/(min cm2) unter AM 1,5 G-Beleuchtung, was einem vorspannungsfreien Solar-zu-Wasserstoffperoxid-Wirkungsgrad entspricht ( SHyE) von 1,46 %. Zweitens kann das erzeugte H2O2 sofort in situ zu den Hauptmolekülen ·OH, ·O2− und 1O2 et al. aktiviert werden. über die Katalyse von Mn(II)-Spezies im Bicarbonatelektrolyten, und die Mn(II)-Spezies werden entsprechend zu hochvalenten Mn(IV)-Spezies oxidiert. Drittens können die Mn-Spezies recycelt werden, indem die Mn(IV)-Spezies in der Kathode zu Mn(II) reduziert werden (Abb. 1a). Infolgedessen weist der selbstzyklische Prozess, der nur Wasser, Sauerstoff und Sonnenlicht benötigt, eine Langzeitstabilität von mehr als einem Monat für die Entfernung verschiedener organischer Schadstoffe auf.

ein Schema des selbstzyklischen Photo-Fenton-ähnlichen Systems mit recycelten Mn-Spezies. b EPR-Reaktion der Mn-Spezies: (i) Mn(II)-Signal in den ersten 2 Minuten unter AM 1,5-Beleuchtung. (ii) Mn(II)/Mn(IV)-Signal in den ersten 10 Minuten unter AM 1,5-Beleuchtung. (iii) Mn(II)/Mn(IV)-Signale nach 5 Minuten seit dem Ausschalten des Lichts. (iv) Mn(II)/Mn(IV)-Signale nach 5 Minuten seit Wiedereröffnung des Lichts.

Um die selbstzyklischen AOPs zu demonstrieren, werden zunächst die Bildung von ROSs und die Redoxkopplung von Mn(II)/Mn(IV) nachgewiesen. Wie in der ergänzenden Abbildung 1 gezeigt, zeigen die Elektronenspinresonanzspektren (EPR) der Koexistenz von HCO3−, H2O2 und Mn(II) die im Vergleich zu diesen deutlich erhöhten Signalintensitäten von ·OH, ·O2− und 1O2 des HCO3−/H2O2 oder H2O2/Mn(II), was darauf hinweist, dass mehrere ROS-Spezies durch das selbstzyklische AOP-System aktiviert werden können19. Anschließend wurden sowohl Cyclovoltammetrie (CV)-Tests als auch EPR-Spektroskopie verwendet, um die Mn-Spezies zu verfolgen. Wie in der ergänzenden Abbildung 2 gezeigt, erscheinen elektrochemische Redoxpeaks relativ zu Mn(II)/Mn(III) und Mn(III)/Mn(IV) im Potentialfenster zwischen 0,98 und 1,58 V gegenüber der reversiblen Wasserstoffelektrode (RHE). , würde das engere Potentialfenster leicht durch photoinduzierte Ladung erreicht werden. Weitere Einblicke in den Valenzwechsel von Mn-Spezies während des Redoxvorgangs werden durch EPR-Messungen gewonnen. Wie in Abb. 1b gezeigt, wird in den ersten 2 Minuten ein typisches Mn(II)-Signal mit einem charakteristischen Sechslinienmuster um g~2 beobachtet (Kurve i)15. Allerdings nahmen sowohl die Symmetrie als auch die Amplitude dieses Signals innerhalb von 10 Minuten allmählich ab (Kurve ii), was darauf zurückzuführen ist, dass Mn(II) oxidiert wird, wenn das H2O2 in situ erzeugt wird. Dementsprechend wird ein neues Signal um g~4 beobachtet, das einer Mn(IV)-Spezies entspricht, was bestätigt, dass Mn(II) zu Mn(IV)20 oxidiert wird. Darüber hinaus werden die Mn(II)-Signale nach 10-minütigem Light-Off kaum noch beobachtet (Kurve iii), da es während der Aktivierung von H2O2 verbraucht wird und die Regeneration von Mn(II) durch die Suspendierung des Gegenstücks blockiert wird Reduktionsreaktion in der Kathode21,22. Bezeichnenderweise tritt das Oxidations-/Reduktions-Quasi-Gleichgewicht nach erneutem Öffnen des Lichts wieder auf (Kurve iv), was auf die Regeneration von Mn(II) aus der Mn(IV)-Reduktion unter der photoaktivierten Kathode hinweist20. Dadurch wird eindeutig bestätigt, dass die Mn-Spezies als „Redox-Shuttle“ im Rahmen des solaraktivierten selbstzyklischen Systems recycelt werden kann. Um die wichtige Rolle des selbstzyklischen Systems weiter zu bewerten, wurden Kontrollexperimente in der H-Zelle durchgeführt, die die Kathoden- und Mn-Spezies trennt. Wie in der ergänzenden Abbildung 3a gezeigt, erscheint das Signal von Mn(IV) bei kontinuierlicher Lichtbeleuchtung nur in der H-Zelle, während sich in der Einkammer ein stabiles Quasigleichgewicht von Mn(II)/Mn(IV) öffnete Reaktor (Ergänzende Abbildung 3b).

Um die H2O2-Produktion vor Ort zu realisieren, werden die PEC-wasseroxidative H2O2-Entwicklung und die elektrochemische Sauerstoff-reduktive H2O2-Reaktion gleichzeitig eingesetzt. Unseren früheren Berichten zufolge kann eine SnO2-x-beschichtete BiVO4-Photoanode (SnO2-x/BiVO4) die 2e−-Wasseroxidationsreaktion (2e−WOR) für die H2O2-Entwicklung kinetisch begünstigen, begleitet von einer leichten wasseroxidativen ·OH-Erzeugung durch 1e− WOR in einem NaHCO3-Elektrolyten, da die SnO2-x-Überschicht die Fest-Flüssigkeits-Energetik abstimmt23 und Mo-SACs/mrG, die die niedrige thermodynamische Barriere der 2e-Sauerstoffreduktionsreaktion (2e-ORR) aufweisen, eine hohe Aktivität und Selektivität für die Elektrochemie bieten können H2O2-Erzeugung in einem NaHCO3-Elektrolyten24. Um die 2e-ORR nur durch Sonnenlicht anzutreiben, wurde hier eine SnO2-x/BiVO4/WO3-Photoanode entwickelt, da der BiVO4/WO3-Heteroübergang nachweislich das Onset-Potential senkt und die Photostromdichte erhöht25. Abbildung 2 zeigt ein schematisches Diagramm des solarbetriebenen H2O2-Produktionsgeräts unter Verwendung einer SnO2-x/BiVO4/WO3-Photoanode und einer Mo-SACs/mrG-Kathode. Durch die Verbindung der wasseroxidativen Erzeugung von H2O2 an der Photoanode mit der O2-reduktiven Erzeugung von H2O2 an der Kathode werden die Photospannung und der Photostrom der gekoppelten photochemischen Reaktion auf thermodynamischer Ebene auf Gleichheit beschränkt. Das Redoxpotential der BiVO4/WO3-Photoanodenelektrode beträgt 0,34 V vs. RHE und 2,45 V vs. RHE26, was das Oxidationspotential des 2e-WOR (1,77 V vs. RHE) und das Reduktionspotential des 2e-ORR überspannt ( 0,70 V vs. RHE), was bedeutet, dass durch Sonnenlicht angeregte Ladungsträger genug Energie haben können, um die Gesamtreaktion zu aktivieren27. Der Arbeitspunkt für eine solche gekoppelte photochemische Reaktion kann am Schnittpunkt der unabhängig gemessenen J-V-Kurven festgelegt werden. Wie in der ergänzenden Abbildung 4 dargestellt, entspricht der Schnittpunkt der Betriebsstromdichte JOP. Unter Berücksichtigung der möglichen nichtlinearen Korrelation zwischen dem pH-Wert und dem Redoxpotential sollte der SHyE anhand der H2O2-Produktionsrate (r(H2O2)) und der Gibbs-freien Energie von O2 und H2O zu H2O2 (ΔG(H2O2)) sowie der Sonnenlichtleistungsintensität (Psun) berechnet werden )28:

Lichtinduzierte Elektron-Loch-Paare wurden über das innere elektronische Feld getrennt; Das Elektron wurde über den externen Stromkreis zu den Einzelmetallstellen in der Kathode übertragen, um die 2e-ORR-Reaktion abzuschließen, während das Loch auf die BiVO4-Oberfläche übertragen wurde und an der 2e-WOR auf der SnO2-x/BiVO4/WO3-Photoanode teilnahm.

Entweder eine Erhöhung der Reaktionskinetik (Steigung der J-V-Kurve) oder eine kathodische Verschiebung des Anfangspotentials der Photoanode oder eine anodische Verschiebung des Anfangspotentials der Kathode erhöht den Schnittpunkt der J-V-Kurve von Photoanode und Kathode, entsprechend eine beträchtliche Erhöhung des Arbeitsstroms der gekoppelten photochemischen Reaktion unter vorspannungsfreien Bedingungen29, was der Schlüssel zur Unterstützung von AOPs mit der gewünschten H2O2-Konzentration ist.

Auf der Grundlage der obigen Diskussionen werden sowohl die Photoanode als auch die Kathode rational optimiert, um einen hohen SHyE zu erreichen. Durch Anpassen der WO3-Textur (Ergänzende Abbildungen 5 und 6) und des BiVO4-Gehalts (Ergänzende Abbildungen 7 und 8) wird die Photostromdichte zunächst auf 5,63 mA/cm2 bei 1,76 V vs. RHE mit einem Einschaltpotential von 0,34 V vs. optimiert . RHE. Anschließend wurde ein ähnlicher SnO2-x-Überschichtungsansatz gewählt, um die Faradaysche Effizienz (FE) der H2O2-Produktion23 zu erhöhen, wie in Abb. 3a schematisch dargestellt. Das optimierte SnO2-x/BiVO4/WO3 wurde durch eine Kombination von Techniken charakterisiert, die auf eine poröse mesoskopische Photoelektrode mit einer mikroskopischen Schicht-für-Schicht-Komponentenstruktur hinweisen, die aus ~5 nm dickem SnO2-x auf einem porösen BiVO4/WO3-Film besteht ( Abb. 3b–d und ergänzende Abbildungen 9 und 10). UV-vis-diffuse Reflexionsspektren zeigen, dass SnO2-x/BiVO4/WO3 eine Absorptionskante hat, die der von BiVO4/WO3 ähnelt, aber viel größer ist als die Absorptionskante von WO3 (ergänzende Abbildung 11), was auf einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Energie hindeutet. Niveaudiagramm der SnO2-x-Überschicht auf BiVO4/WO3. Spektren der elektrochemischen Impedanzspektroskopie (EIS) zeigen eine große Verbesserung der Ladungsträgertransporteffizienz von SnO2-x/BiVO4/WO3 im Vergleich zu BiVO4 (Abb. 3e). Die wasseroxidative H2O2-Erzeugungsleistung von PEC, gemessen in 0,4 M NaHCO3 unter 100 mW/cm2 mit AM 1,5-Beleuchtung, zeigt, dass die SnO2-x-Überschicht die Photostromdichte von BiVO4/WO3 leicht erhöht (6,1 mA/cm2 bei 1,76 V vs. RHE). , während das Einschaltpotential kathodisch von 0,64 V vs. RHE von BiVO4 auf 0,32 V vs. RHE verschoben wird (Abb. 3f). Bezeichnenderweise weist die SnO2-x/BiVO4/WO3-Photoanode eine stabile H2O2-FE von mehr als 84 % bei Potentialen im Bereich von 0,5 bis 1,7 V vs. RHE auf, was 2,4 bzw. 2,9 Mal höher ist als die von BiVO4/WO3 bzw. BiVO4 ( Abb. 3g). Das potenzialunabhängige H2O2 FE ist ein bemerkenswertes charakteristisches Merkmal der PEC-Reaktion, da die Geschwindigkeitskonstante und die Aktivierungsenergie an der Halbleiter/Elektrolyt-Grenzfläche30,31 weniger beeinflusst werden, was für das Erreichen eines hohen SHyE in der gekoppelten photochemischen Reaktion wichtig ist. Darüber hinaus zeigen Potentiostat-i-t-Tests, dass die SnO2-x/BiVO4/WO3-Photoanode stabiler ist als BiVO4/WO3 und BiVO4 (ergänzende Abbildung 12), da die Passivierungsschicht die Photokorrosion von BiVO432 hemmt. Wie oben erwähnt, sind die höhere Selektivität der wasseroxidativen H2O2-Erzeugung zusammen mit einer hohen Photostromdichte, einem niedrigen Onset-Potential und einer guten Stabilität Schlüsselfaktoren für das Erreichen eines hohen SHyE, da die gekoppelte photochemische Reaktion hier hauptsächlich von der Photoanode angetrieben wird.

a Schema des Aufbaus der Heterostruktur von SnO2-x/BiVO4/WO3. b REM-Querschnittsbild von SnO2-x/BiVO4/WO3. Maßstabsleiste: 500 nm. c REM-Oberflächenbild von SnO2-x/BiVO4/WO3. Maßstabsleiste: 500 nm. d HR-TEM-Bild von SnO2-x/BiVO4/WO3, Maßstabsbalken: 5 nm. e EIS-Scan von BiVO4, BiVO4/WO3 und SnO2-x/BiVO4/WO3 unter AM 1,5-Beleuchtung in 0,4 M NaHCO3-Elektrolyt. f Photostrom-Linear-Sweep-Voltammetrie (LSV)-Scan von BiVO4, BiVO4/WO3 und SnO2-x/BiVO4/WO3 unter AM 1,5-Beleuchtung. g H2O2 FE-Werte von BiVO4, BiVO4/WO3 und SnO2-x/BiVO4/WO3 mit kontrolliertem Potential unter AM 1,5-Beleuchtung in 0,4 M NaHCO3-Elektrolyt.

Es ist wichtig zu erkennen, dass die wasseroxidative Erzeugung von H2O2 an der SnO2-x/BiVO4/WO3-Photoanode mit der wasserreduktiven Erzeugung von H2 an der Pt-Kathode einhergeht, wo das Überpotential der HER nahezu perfekt ist. Verglichen mit der Wasserspaltung zur Bildung von H2O2 und H2 ist die tatsächlich erforderliche Spannung, um die gekoppelte photochemische Reaktion der H2O2-Erzeugung voranzutreiben, größer und kann ausgedrückt werden durch:

Dabei ist ηWOR das Überpotential des WOR, ηORR das Überpotential des ORR und ηR der Innenwiderstand der PEC-Zelle. Daher ist die Verringerung von ηORR (gegeben durch das Tafel-Verhalten des ORR-Katalysators) wichtig, um hohe H2O2-Produktionsraten und SHyE zu erreichen. Zunächst wurden Mo-SACs/mrG sorgfältig als Kathodenkatalysator für die sauerstoffreduktive H2O2-Produktion ausgewählt24. Tests mit rotierenden Ringscheibenelektroden (RRDE) wurden zur In-situ-Quantifizierung der H2O2-katalytischen Aktivität der Mo-SACs/mrG-Katalysatoren durchgeführt. Um den Einfluss des kohlenstoffhaltigen Substrats auszuschließen, das vermutlich als potenzieller Katalysator für die elektrochemische 2e-ORR33 dient, wurde eine Kontrollprobe mit der Bezeichnung mrG über denselben Herstellungsprozess wie für Mo-SACs/mrG hergestellt, jedoch ohne Metallquelle. In Abb. 4a sind deutliche RRDE-Kurven von Mo-SACs/mrG und mrG dargestellt. Die Tafel-Steigung und das Onset-Potential (bei einer Scheibenstromdichte von 1 mA/cm2) von Mo-SACs/mrG betragen 81 mV/dec bzw. 0,61 V vs. RHE, während die von mrG 190 mV/dec und 0,55 V betragen vs. RHE (Abb. 4a und ergänzende Abb. 13). Darüber hinaus wurde eine viel höhere H2O2-Selektivität für Mo-SACs/mrG im Vergleich zu mrG von 0,35 bis 0,65 V vs. RHE beobachtet (Abb. 4b). Daher wurde der Schluss gezogen, dass Mo-SACs/mrG eine Optimierung des Schnittpunkts der J-V-Kurve der gekoppelten Photoanode und Kathode mit idealer H2O2 FE ermöglichen.

a RRDE-Tests von Mo-SACs/mrG unter O2-gespülten 0,4 M NaHCO3-Elektrolyten. bFE der H2O2-Produktion über Mo-SACs/mrG, ermittelt durch RRDE-Tests bei verschiedenen angelegten Spannungen. c LSV-Scan der Elektroden PTFE@Mo-SACs/mrG-GDE, PTFE@mrG-GDE und Mo-SACs/mrG-GDL unter einem O2-gespülten 0,4 M NaHCO3-Elektrolyten. d Schema der Struktur der PTFE@Mo-SACs/mrG-GDE-Elektrode. e Potenzial bei 10 mA/cm2 und entsprechendem H2O2 FE der Elektroden PTFE@Mo-SACs/mrG-GDE, PTFE@mrG-GDE und Mo-SACs/mrG-GDL. Das Pentagramm stellt die H2O2-Effizienz dar und das blaue Rechteck stellt das Einschaltpotential bei 10 mA/cm2 dar.

Vor der physikalischen Kopplung von Kathode und Photoanode sollte der Ladungsausgleich zwischen Kathode und Photoanode optimiert werden, da die Aktivität der Kathode durch Gasdiffusion und Elektronentransfer begrenzt wird34. Gelegentlich wird zwischen den aktiven Katalysatoren und der Kohlefaser eine mikroporöse Gasdiffusionsschicht (GDL) aus PTFE und Rußpulver eingebracht, um die Gasdiffusionseffizienz zu verbessern und die dreiphasige Kontaktlinie (TPCL) zu verstärken, auf der der aktive Katalysator zugänglich ist Websites sind funktionsfähig. Dennoch verlangsamt eine dicke und isolierte GDL den Elektronentransfer, was zu erheblichen Ohmschen Verlusten und Leistungseinbußen führt35. Daher ist eine Erhöhung des TPCL ohne Behinderung des Elektronentransfers wünschenswert. Hierin wird eine Grenzflächenstrategie vorgeschlagen, um durch PTFE-Nanopartikeldekoration eine lokale Sauerstoffeinschlussstruktur auf Mo-SACs/mrG-Nanoblättern aufzubauen, um die TPCL zu erhöhen, ohne GDL zu induzieren (Abb. 4c und d). Die PTFE@Mo-SACs/mrG-GDE-Kathode wurde durch SEM und HAADF-STEM charakterisiert, und die Ergebnisse sind in der ergänzenden Abbildung 14 dargestellt. Die mrG-Nanoblätter haften fest an der Kohlenstofffaseranordnung und PTFE-Nanopartikel mit einer Größe von ~ 150 nm sind gleichmäßig auf der Oberfläche von mrG-Nanoblättern verteilt, wobei einzelne Mo-Atome die einzigen vorhandenen Metallspezies sind (ergänzende Abbildung 15). Wie in der ergänzenden Abbildung 16 dargestellt, kann der durch das PTFE-Nanopartikel in Kombination mit Mo-SACs/mrG-Nanoblättern erzeugte aerophile Quasi-Nanoarray-Bereich gleichzeitig zu einem kompatiblen TPCL und einem deutlich verbesserten Elektronentransfer im Vergleich zur herkömmlichen GDL-Elektrode beitragen36,37. Weitere Erkenntnisse über den Einfluss von PTFE auf die elektrokatalytische Aktivität werden durch Veränderung der Beladungsmenge der PTFE-Nanopartikel gewonnen (ergänzende Abbildung 17). Wasserkontaktwinkeltests zeigen, dass die Benetzbarkeit von PTFE@Mo-SACs/mrG-GDE wirksam unterdrückt werden könnte, wenn die Beladungsmenge von PTFE erhöht wird (ergänzende Abbildung 18), was die Gasdiffusion voraussichtlich beschleunigen wird. Eine übermäßige PTFE-Beladung verschlechtert jedoch die Leitfähigkeit der Elektrode, wie durch EIS belegt (ergänzende Abbildung 19). Daher ist zur Leistungsoptimierung ein empfindliches Gleichgewicht zwischen dem Stofftransport von Sauerstoff, der Leitfähigkeit der Elektrode und der Effizienz der H2O2-Bildung erforderlich. Letztendlich wird mit einem Massenverhältnis von PTFE und Mo-SACs/mrG von 2:1 die beste Leistung erzielt, mit einer Stromdichte von 10 mA/cm2 bei 0,51 V vs. RHE und einer Tafel-Steigung von 53,2 mV/dez (ergänzende Abbildung 20). ). Infolgedessen zeigt PTFE@Mo-SACs/mrG-GDE die höchste Stromdichte im Spannungsbereich von 0,65 bis 0,1 V vs. RHE (Abb. 4c), mit dem kleinsten Onset-Potential (0,51 V vs. RHE) und dem größte H2O2 FE (82,1 %) (Abb. 4e) im Vergleich zur Mo-SACs/mrG-GDL-Elektrode (siehe „Methoden“ für die Synthese) und PTFE@mrG-GDE (siehe „Methoden“ für die Synthese), was darauf hinweist, dass beide Die sauerstoffgebundene Struktur und der effektive Mo-SACs/mrG-Katalysator tragen zur hervorragenden elektrochemischen Leistung bei. Bemerkenswert ist, dass die optimierte PTFE@Mo-SACs/mrG-GDE-Kathode eine gute elektrochemische Stabilität für die ORR aufweist, wobei 98,4 % des Anfangsstroms nach 7 Stunden erhalten bleiben (ergänzende Abbildung 21).

Nach Optimierung der H2O2-Produktselektivität, des Onset-Potentials und der Stromdichte verfügt die zusammengesetzte SnO2-x/BiVO4/WO3||PTFE@Mo-SACs/mrG-GDE-PEC-Zelle über eine Redoxkopplung von 2e-WOR und 2e-ORR ein theoretischer Schnittpunkt bei 0,61 V vs. RHE bei einer Stromdichte von 1,64 mA/cm2 (Abb. 5a). Die PEC-Leistung wurde zunächst in einem Drei-Elektroden-System mit SnO2-x/BiVO4/WO3 und PTFE@Mo-SACs/mrG-GDE als Photoanode bzw. Kathode untersucht. Der lineare Sweep-Voltammetrie-Scan (LSV) zeigt eine Stromdichte von 5,59 mA/cm2 bei 1,76 V vs. RHE mit einer Gesamt-H2O2-FE von 151 %, berechnet aus Photoanode und Kathode (ergänzende Abbildung 22). Als nächstes wurden kontrollierte Potentialtests durchgeführt, um die H2O2-FE des PEC-Geräts in einem Zwei-Elektroden-System zu bewerten und so die Leistung der monolithischen Zelle zu bewerten. Die Ergebnisse zeigen eine konstante FE von mehr als 150 % unter einem weiten angelegten Spannungsbereich von 0 bis 0,9 V vs. Zelle (Abb. 5b). Insbesondere wurde eine vorspannungsfreie Photostromdichte von 1,56 mA/cm2 mit einer H2O2 FE von 152 % erreicht (Abb. 5c), was einer nicht unterstützten H2O2-Produktionsrate von 0,77 μmol/(min cm2) und einem SHyE von 1,46 % entspricht. Der Unterschied zum theoretischen Wert wird auf die PEC-Begrenzung zurückgeführt, wie z. B. den pH-Gradienten, den IR-Abfall und die Polarisation, die an der Gegenelektrode im Zwei-Elektroden-System auftritt (ηR in Gleichung (2))34,38. Dadurch wird eine durchschnittliche solarbetriebene H2O2-Produktionsrate von 0,74 μmol/(min cm2) erreicht und die H2O2-Konzentration erreichte innerhalb einer Stunde in einem 50-mL-Reaktor 0,85 mM (Abb. 5d). Eine Zusammenfassung der PEC- und solarbetriebenen H2O2-Produktion zeigt die höchste nicht unterstützte solarbetriebene H2O2-Produktionsrate unseres SnO2-x/BiVO4/WO3||PTFE@Mo-SACs/mrG-GDE-PEC-Geräts (Abb. 5e und Ergänzungstabelle). 1) und übertrifft andere hochmoderne PEC-Systeme23,39,40,41,42,43,44,45,46,47,48,49. Potentiostatische i-t-Tests wurden unter vorspannungsfreien Bedingungen durchgeführt und zeigten eine gute Stabilität des PEC-Geräts, wobei 89 % des Stroms nach 20 Stunden H2O2-Erzeugung erhalten blieben (ergänzende Abbildung 23).

ein gekoppelter LSV-Scan der SnO2-x/BiVO4/WO3-Photoanode und der PTFE@Mo-SACs/mrG-GDE-Kathode. b LSV-Scan von SnO2-x/BiVO4/WO3||PTFE@Mo-SACs/mrG-GDE unter einem Zwei-Elektroden-System und deren H2O2 FE bei verschiedenen angelegten Spannungen. c Photostrom-Zeit-Profile unter vorspannungsfreien Bedingungen. d H2O2-Produktionsrate und akkumulierte Konzentration eines PEC-Geräts mit Einzelzellenkonfiguration unter vorspannungsfreien Bedingungen. e Zusammenfassung der PEC-H2O2-Produktion unter AM 1,5-Beleuchtung mit Zwei-Elektroden- und Drei-Elektroden-Systemen. Der Elektrolyt von a–d ist 0,4 M NaHCO3.

Zur Demonstration wurde ein großes monolithisches künstliches SnO2-x/BiVO4/WO3||PTFE@Mo-SACs/mrG-GDE-Blatt (7 cm2) konstruiert, um ein Abwasserreinigungssystem mit ausreichender H2O2-Leistung zu ermöglichen (Abb. 6a). Wie in Abb. 6b gezeigt, wird eine signifikante Verbesserung des Stroms beobachtet, wenn die Flächen sowohl der SnO2-x/BiVO4/WO3-Photoanode als auch der PTFE@Mo-SACs/mrG-GDE-Kathode auf 7 cm2 vergrößert werden, was einen theoretischen Schnittpunkt ergibt Punkt bei 0,55 V vs. RHE und einem Strom von 12,3 mA, was auf die gute Skalierbarkeit des SnO2-x/BiVO4/WO3||PTFE@Mo-SACs/mrG-GDE PEC-Geräts hinweist. Dadurch wird ein ununterstützter Strom von 10,7 mA mit einem H2O2 FE von 150 % und einer Produktionsrate von 5,17 μmol/min erreicht (Abb. 6c). Anschließend wird das künstliche Blatt zur Demonstration eines PEC-gesteuerten Bikarbonat-aktivierten Wasserstoffperoxidsystems (BAP) zum Abbau von 4-Nitrophenol (NP) eingesetzt, das von der US-Umweltschutzbehörde (EPA) als vorrangiger giftiger Schadstoff eingestuft wird ) und weist aufgrund der elektronenziehenden Nitrogruppe50 eine besondere Beständigkeit gegen chemische/biologische Oxidation auf. Wie in Abb. 6d gezeigt, können 30 % des NP (10 ppm) in 90 Minuten ohne Mn(II) entfernt werden, wohingegen in Abwesenheit des künstlichen Blattes ein vernachlässigbarer Abbau beobachtet werden kann. Andererseits werden 99,5 % NP innerhalb von 50 Minuten abgebaut, wenn nur 0,04 ppm Mn(II) eingeführt wurden (niedriger als die von der US-Umweltschutzbehörde EPA festgelegte maximale Verunreinigung für Trinkwasser), was auf die merkwürdige Rolle des künstlichen Blattes H2O2 schließen lässt Mn(II) im BAP-System. Weitere Einblicke in die Machbarkeit des PEC-gesteuerten BAP-Systems werden durch die Bewertung des Einflusses der Konzentration von H2O2, Mn(II)-Spezies und Elektrolyt gewonnen. Wie in der ergänzenden Abbildung 24a gezeigt, wurde eine kontrastierende künstliche Blattprobe hergestellt, indem die Photoanode und die Kathode durch SnO2-x/BiVO4 bzw. Mo-SACs/mrG-GDE ersetzt wurden. Die stark verringerte Stromdichte ohne Unterstützung von 0,55 mA/cm2 führt zu einer kritisch reduzierten Abbaurate, sodass nur 20 % des 4-NP innerhalb von 50 Minuten in künstlichen Blättern auf SnO2-x/BiVO4||Mo-SACs/mrG-GDE-Basis entfernt werden können , was viel niedriger ist als der von 99, 5% bei Verwendung des künstlichen Blattes auf SnO2-x/BiVO4/WO3||PTFE@Mo-SACs/mrG-GDE-Basis (ergänzende Abbildung 24b). Dieses Ergebnis legt die entscheidende Rolle einer höheren H2O2-Produktionsrate für die Abbaueffizienz nahe. Darüber hinaus verschlechtert sich der Abbaueffekt stark, wenn der Mn(II)-Gehalt 1 ppm erreicht (Ergänzende Abbildung 25). Es wird angenommen, dass überschüssige Mn(II)-Spezies das H2O2 in H2O und O2 zerlegen könnten, anstatt es in ROS zu aktivieren. Außerdem wird gemäß dem XPS-Ergebnis nachgewiesen, dass sich keine Mn-Spezies in der Photoanode ablagern (ergänzende Abbildung 26). Sowohl zu hohe als auch zu niedrige Bikarbonatkonzentrationen wirken sich negativ auf die Abbaueffizienz aus (Ergänzende Abbildung 27). Dies kann vorläufig darauf zurückgeführt werden, dass die Mn-Ionen dazu neigen, in inaktives MnCO3 auszufallen, wenn die Bicarbonatkonzentration zu hoch ist15. Im Gegensatz dazu könnte eine zu niedrige Bicarbonatkonzentration den Photostrom der Photoanode verringern, was die H2O2-Produktionsrate und damit die Abbaurate verringert. Darüber hinaus wurde eine Stabilitätsbewertung des BAP-Systems durch wiederholte Abbautests durchgeführt, die kaum eine Verschlechterung der Abbaueffizienz zeigt (ergänzende Abbildung 28). Um insbesondere die praktischen Anwendungen des PEC-gesteuerten BAP-Systems weiter zu demonstrieren, wird die Fläche des künstlichen Blattes auf 7 × 10 cm2 vergrößert, um eine 200 ml synthetische Probe mit 5 ppm Rhodamin B (Rh. B) effektiv abzubauen. 5 ppm Methylenblau (MB) und 5 ppm NP (Ergänzende Abb. 29 a). Wie in der ergänzenden Abbildung 29b, c gezeigt, können 99,5 % der Schadstoffe innerhalb von 70 Minuten mit nur einer Licht- und Sauerstoffergänzung entfernt werden (ergänzender Film 1). Nach einem Monat wurde keine offensichtliche Aktivitätsverschlechterung beobachtet, was die Robustheit und Langzeitstabilität des künstlichen Blattes zeigt (ergänzende Abbildung 30). Weitere Messungen werden durchgeführt, um nach Langzeittests die physikalisch-chemischen Eigenschaften der Photoanode zu untersuchen. Das REM-Bild zeigt, dass die Morphologie von SnO2-x/BiVO4/WO3 gut erhalten bleibt (ergänzende Abbildung 31a) und dass eine konforme und stabile SnO2-x-Überschicht auf BiVO4 nachgewiesen wird (ergänzende Abbildung 31b). Darüber hinaus belegen EPR-Messungen die Aufrechterhaltung der Sauerstofffehlstellen der SnO2-x-Schicht (ergänzende Abbildung 31c). Darüber hinaus wurden XPS-Untersuchungen zur Zusammensetzung der Oberfläche und Grenzflächen von SnO2-x/BiVO4/WO3 durchgeführt. Wie in der ergänzenden Abbildung 32a gezeigt, zeigt der O1s-Peak keine erkennbaren Änderungen in Intensität und Position, wohingegen nach Langzeittests eine leichte Verschiebung des V 2p in Richtung niedrigerer Bindungsenergie und verringerter Intensität beobachtet werden kann. Das Phänomen kann auf die Fotoaufladung von BiVO4 zurückgeführt werden, durch die V5+ irgendwie auf V4+ reduziert wird. Dennoch erweisen sich die Sn-3d-Peaks im Langzeittest als stabil (ergänzende Abbildung 32b). Andererseits zeigen die Mo-SACs / mrG-GDE auch eine gute Stabilität mit gut erhaltenen einfach dispergierten Atomen (ergänzende Abbildung 33a) und Quasi-Nanoarray-Aerophiliebereichen (ergänzende Abbildung 33b). Die modifizierte Sauerstoffdiffusionsvorteilstruktur soll auf eine gute Stabilität zurückzuführen sein, da die unzureichende Sauerstoffzufuhr bei großer Stromdichte die Katalysatoren beschädigen würde. Insgesamt wird davon ausgegangen, dass die optimierte Struktur zur guten Stabilität des Gerätes beiträgt.

ein Schema des künstlichen Blattes zur Wasseraufbereitung. b Gekoppelter LSV-Scan der SnO2-x/BiVO4/WO3-Photoanode (7 cm2) und der PTFE@Mo-SACs/mrG-GDE-Kathode (7 cm2). c Photostrom-Zeit-Profile von SnO2-x/BiVO4/WO3||PTFE@Mo-SACs/mrG-GDE unter vorspannungsfreien Bedingungen. d Abbau von 15 ppm NP unter ausschließlichem Verbrauch von Sauerstoff und Sonnenlicht. Reaktionselektrolyt: 15 ml 0,4 M NaHCO3-Lösung.

Darüber hinaus wurden detaillierte und systematische Studien durchgeführt, um die Erzeugung/Umwandlung von ROSs sowie den Reaktionsmechanismus in unserem selbstzyklischen Fenton-ähnlichen System zu bewerten. Zunächst wurde die H-Zellkonfiguration herangezogen, um speziell die Rolle von 1O2 und ·O2− während der H2O2-Produktion sowohl in der Kathode als auch in der Anode zu untersuchen, da beide gemeinsame Zwischenprodukte während der photokatalytischen ORR für die H2O2-Produktion sind51. Für den Kathodenteil wurden die Scavenger-Experimente mit p-Benzochinon (BQ, ein Opfermittel für ·O2−) und 2,2,6,6-Tetramethylpiperidin (TEMP, ein Opfermittel für 1O2) über PTFE@Mo-SACs/mrG durchgeführt -GDE wurden durchgeführt. Wie in der ergänzenden Abbildung 34a, b gezeigt, ist die Menge an H2O2 in Bezug auf die Konzentration von BQ und TEMP unveränderlich, was darauf hinweist, dass das Löschen von entweder 1O2 oder ·O2− keinen Einfluss auf die H2O2-Bildung während der ORR hat der Kathodenteil52. Ähnliche Versuchsergebnisse wurden auch im Anodenteil beobachtet (ergänzende Abbildung 34c, d), dass weder das Löschen von 1O2 noch ·O2− einen Einfluss auf die Erzeugung von H2O2 während der WOR im Anodenteil hat. Darüber hinaus haben RRDE-Tests gezeigt, dass das Hauptprodukt der O2-Reduktion in der Kathode H2O2 ist (Abb. 4a). Vor allem gingen wir davon aus, dass 1O2 und ·O2− aus dem in situ erzeugten H2O2 in das selbstzyklische fotoähnliche System umgewandelt werden.

Als nächstes wurden Opfermittelexperimente durchgeführt, um die wichtigsten ROSs im selbstzyklischen Photo-Fenton-ähnlichen System mit und ohne Mn2+-Spezies zu untersuchen. Wie in der ergänzenden Abbildung 35 gezeigt, wurden für die Untersuchung Opferstoffe eingesetzt, darunter Tert-Butanol (TBA, ein Opferstoff für ·OH), BQ und TEMP53. Im System ohne Mn2+-Spezies wird bei Zugabe von TEMP eine kaume Abnahme der Abbaurate (von 30,2 auf 29,5 % nach 90 Min.) beobachtet, während eine geringe hemmende Wirkung auf den Abbau (von 30,2 auf 27,6 % nach 90 Min.) zu beobachten ist in Gegenwart von BQ gezeigt, was auf eine positivere Rolle von ·O2− als 1O2 im Abbauprozess hindeutet (ergänzende Abbildung 35a). Insbesondere wird der Entfernungseffekt nach der Zugabe von TBA nahezu gehemmt, was auf zwei Gründe schließen lässt: 1. Das ·OH ist die wichtigste ROS während des Abbaus. 2. ·O2− und 1O2 könnten vom ·OH im System ohne die Mn2+-Spezies stammen. Andererseits führt die Zugabe von BQ, TEMP und TBA zu einer gewissen Verringerung der Abbaurate in dem System, das Mn2+-Spezies enthält (von 90,5 % auf 80,7 %, 71,5 % und 28,1 % nach 40 Minuten für die Zugabe). von TEMP, BQ bzw. TBA) (Ergänzende Abbildung 35b). Bemerkenswert ist, dass nach der Zugabe von TBA immer noch eine effektive Entfernungsrate in Gegenwart von Mn2+-Spezies (28,1 % nach 40 Min.) im Vergleich zu der ohne Mn2+-Spezies (0,2 % nach 40 Min.) beobachtet wird, was darauf hindeutet, dass zwischen den ROSs unterschiedliche Mechanismen zur gegenseitigen Umwandlung vorliegen das System mit und ohne Mn2+-Spezies, das weiter unten näher untersucht wird.

Um die Rolle von HCO3− bei der Erzeugung von ROSs des selbstzyklischen photoähnlichen Systems weiter zu untersuchen, wird ein KPi-Elektrolyt mit demselben pH-Wert (eingestellt durch KOH) als Ersatz für den NaHCO3-Elektrolyten verwendet. Wie in der ergänzenden Abbildung 36a gezeigt, wird in Abwesenheit von Mn2+ kaum ein Abbaueffekt beobachtet, selbst wenn H2O2 effektiv im Reaktionssystem erzeugt wird (über 2e-ORR in der Kathode) (ergänzende Abbildung 36b), was darauf hinweist, dass KPi H2O2 nicht aktivieren kann in ROSs, wie es das HCO3− tut (Abb. 6d und ergänzende Abb. S1). Darüber hinaus stieg die Abbaurate im KPi-Elektrolyten leicht auf 5,4 % nach 40 Minuten, wenn Mn2+ zugesetzt wurde, was immer noch viel niedriger ist als die im HCO3−-Elektrolyten mit Mn2+ (89,5 % nach 40 Minuten). Das bedeutet, dass die effektive Aktivierung von H2O2 in Abwesenheit von HCO3− weitgehend unterdrückt wird. Zur weiteren Untersuchung des Mechanismus wurde die EPR-Technologie eingesetzt. Methanol und DMPO wurden als Einfangmittel zugesetzt, um die Schnittstelle von ·OH für den Nachweis von ·O2H54 auszuschließen. Wie in der ergänzenden Abbildung 37a gezeigt, werden im System keine Signale von ·O2H erkannt, was darauf hinweist, dass ·O2H nicht erzeugt wird. Die Signalintensitäten von ·O2− bleiben nach der Zugabe von TEMP unverändert, während sie nach der Zugabe von TBA verschwinden, was darauf hindeutet, dass ·OH für die Erzeugung von ·O2− wesentlich ist, 1O2 dagegen nicht55 (Ergänzende Abbildung 37b). Außerdem wird beim Nachweis von 1O2 kein offensichtliches Signal beobachtet (ergänzende Abbildung 37c). Darüber hinaus hat die Zugabe von TEMP und BQ keinen Einfluss auf ·OH (Ergänzende Abbildung 37d). Daher könnte der Mechanismus für die ROS-Erzeugung angegeben werden:

Andererseits könnte die Zugabe von Mn2+ zum HCO3−-Elektrolyten die Abbaurate erheblich erhöhen, indem die Bildung von 1O2, ·O2− und ·OH verbessert wird (Abb. 6d und ergänzende Abb. S1). Während das Mn2+ im KPi-Elektrolyten einen geringen Abbaueffekt zeigt (ergänzende Abbildung 36a), deutet dies darauf hin, dass der Komplex zwischen Mn2+ und HCO3− die Hauptrolle bei der Erzeugung der ROSs spielt, was auch durch Abbildung S1 belegt wird. Zur weiteren Untersuchung des Mechanismus wurden EPR-Messungen durchgeführt. Anders als im HCO3−-System hat die Zugabe von TBA nur geringe Auswirkungen auf die Erzeugung von ·O2− und 1O2 während der EPR-Messungen, was darauf hindeutet, dass ·OH für deren Erzeugung im Mn2+(HCO3−)n-System nicht unbedingt erforderlich ist (ergänzende Abbildung). . 38a, b). Das Signal für 1O2 verschwand jedoch nach der Zugabe von BQ, was darauf hindeutet, dass 1O2 von ·O2− im Mn2+(HCO3−)n-System stammt (ergänzende Abbildung 38a). Darüber hinaus hat die Zugabe von TEMP und BQ keinen Einfluss auf ·OH (Ergänzende Abbildung 38c). Vor allem wird die ROSs-Erzeugung im Mn2+−HCO3−-System angegeben:

Im selbstzyklischen System würde die Umwandlung von MnIV-Spezies in MnII-Spezies durch Gl. (11) durch Reduktion einer Kathode gemäß Abb. 1b und ergänzender Abb. S3.

Zusammenfassend berichten wir über ein nicht unterstütztes, solarbetriebenes, selbstzyklisches Photo-Fenton-ähnliches System durch In-situ-Produktion und Nutzung von H2O2 unter Verwendung eines künstlichen Blattes. Zunächst bestätigen wir, dass das Mn(II)/(IV)-Redox effektiv im PEC-System recycelt werden kann, wobei verschiedene ROS entstehen, darunter •OH, O2•− und 1O2, angetrieben durch H2O2-Aktivierung und photoinduzierte Kathodenreduktion unter Bicarbonatmedien . Um die angemessene H2O2-Ergänzung zu gewährleisten, wurde als nächstes eine umfassende Anleitung zur Verbesserung der PEC-zu-H2O2-Effizienz mit kinetischer Optimierung sowohl der Photoanode als auch der Kathode hervorgehoben. In der Photoanode wurden eine drastisch verbesserte Stabilität und Stromdichte aufgrund des verbesserten Ladungsträgertransports erreicht, und es wurde eine Grenzflächenstrategie vorgeschlagen, um eine lokale Einschlussstruktur für Sauerstoff zu konstruieren, die gleichzeitig sowohl den Elektronentransfer- als auch den Stofftransferprozess an der Kathode fördert. Als Ergebnis wurden durch die Kopplung der optimierten Photoanode und Kathode die hohe aufgezeichnete ununterstützte H2O2-Produktionsrate von 0,77 μmol/(min cm2) und ein SHyE von 1,46 % erreicht. Insbesondere wurde ein 70 cm2 großes künstliches Blatt mit einer Stabilität von 30 Tagen erfolgreich als effektives, selbstzyklisches Photo-Fenton-ähnliches System zur Abwasserbehandlung realisiert, bei dem nur Sauerstoff, Wasser und Sonnenlicht verbraucht werden. Insbesondere sind für Anwendungen im industriellen Maßstab einige Verbesserungen dieses PEC-gesteuerten Abwasserbehandlungssystems erforderlich, darunter eine verbesserte Solarnutzungseffizienz, eine kontinuierliche Sauerstoffergänzung und die Abstimmung von Elektrolytkomponenten. Daher wurde eine zusätzliche Diskussion zur Bewältigung der oben genannten Probleme geführt, um die Einschränkungen zu identifizieren, die voraussichtlich angegangen werden, um weitere Durchbrüche zu erzielen (siehe ergänzende Diskussion). Insgesamt wird erwartet, dass der hier vorgestellte Entwurf eines effektiven Solarbrennstoffgeräts weitere nachhaltige Anwendungen anregen wird, während die erfolgreiche Demonstration eines Eintopf-Abwasseraufbereitungssystems mit Selbstkreislauf das vielversprechende Potenzial der künstlichen Photosynthesetechnologie in dezentralen Umweltverwaltungsanwendungen unterstreicht.

Das als Templatelektrode verwendete WO3-Nanoblattarray wurde zunächst durch eine modifizierte hydrothermale Methode synthetisiert. Kurz gesagt wurde eine Vorläuferlösung hergestellt, indem 2 ml 3,5 M HCl langsam in 25 ml 25 mM wässrige Natriumwolframat-Dihydrat-Lösung getropft und die Reaktion 1 Minute lang ablaufen gelassen wurde. Dann wurden 25 mM Ammoniumoxalat in der Vorläuferlösung gelöst und 15 Minuten lang umgesetzt, bis die Lösung vollständig transparent und farblos wurde. Während des gesamten Lösungs- und Reaktionsprozesses wurde gerührt. Dann wurde ein blankes, mit Fluor dotiertes Zinnoxid (FTO)-Substrat (2 × 2 cm2) an die Teflonwand gelegt, bevor die Lösung gegossen wurde, und die hydrothermale Reaktion wurde in einem versiegelten 40-ml-Teflon-Autoklaven bei 110 °C durchgeführt 60 Min. Der erhaltene WO3·(H2O)x-Nanoarray wurde mit entionisiertem (DI) Wasser gewaschen, getrocknet, 3 Stunden lang bei 500 °C an der Luft getempert und auf natürliche Weise abgekühlt, um den WO3-Nanoarray zu erhalten. Als nächstes wurde die BiVO4-Vorläuferlösung durch Auflösen von 100 mM Wismutnitrat-Pentahydrat und 110 mM Ammoniummetavanadat in 20 ml Ethylenglykol synthetisiert. Danach wurde eine bestimmte Menge BiVO4-Vorläuferlösung auf die WO3-Photoanode getropft (10 µL für 1 cm2), gefolgt von einem 2-stündigen Tempern bei 500 °C an der Luft und natürlicher Abkühlung. Anschließend wurde die erhaltene Probe in eine 0,1 M NaOH-Lösung gegeben, um überschüssiges Vanadiumoxid zu entfernen und die BiVO4/WO3-Photoanode zu erhalten. Schließlich wurde die SnO2-x-Schicht gemäß unserer vorherigen Arbeit abgeschieden, um die SnO2-x/BiVO4/WO3-Photoanode27 zu erhalten.

Graphenoxid (GO) wurde durch Oxidation natürlicher Graphitflocken nach einer modifizierten Hummers-Methode synthetisiert. Mo-SACs/mrG wurden in einem einstufigen Verfahren synthetisiert. In einem speziellen Verfahren zur Synthese von Mo-SACs/mrG wurde eine reine GO-Suspension mehrmals mit DMSO gewaschen, um eine GO/DMSO-Lösung mit einer GO-Konzentration von 0,5 mg mL−1 zu erhalten. Dann wurden 250 µL 3 mg mL-1 MoCl5/DMSO zu 30 ml einer 0,5 mg mL-1 GO/DMSO-Lösung gegeben. Die homogene Lösung wurde in einen mit Teflon ausgekleideten 50-ml-Autoklaven überführt, der verschlossen und 12 Stunden lang in einem Ölbad bei 135 °C gehalten wurde. Schließlich wurden die resultierenden Mo-SACs/mrG gefriergetrocknet, um nach Entfernung des DMSO-Lösungsmittels ein Pulver zu erhalten. Das mrG wurde auf die gleiche Weise wie Mo-SACs/mrG synthetisiert, jedoch ohne Zugabe von Metallelementen.

Die Mo-SACs/mrG-Tinte wurde durch Auflösen von Mo-SACs/mrG-Pulver in DI-Wasser/Ethanol/5 Gew.-% Nafion-Lösung (Volumenverhältnis 9:1:0,05) bei einer Konzentration von 1 mg/ml und Rühren hergestellt für 48 Std. Anschließend wurde die Katalysatortinte erhalten, indem der Mo-SACs/mrG-Tinte eine bestimmte Menge wässriger Polytetrafluorethylen (PTFE)-Lösung (0,1 Gew.-%) zugesetzt und weitere 48 Stunden lang gerührt wurde, um gleichmäßig Mo-SACs/mrG-Nanoblätter zu erhalten verteilte PTFE-Nanopartikel im erforderlichen Massenverhältnis (PTFE@Mo-SACs/mrG). Danach wurde die Katalysatortinte mit einer Beladungsmenge von 0,5 mg/cm2 auf die mit Teflon behandelte hydrophobe Kohlenstofffaser (TCF) getropft, gefolgt von einer natürlichen Trocknung, um PTFE@Mo-SACs/mrG-GDE zu erhalten.

Die Mo-SACs/mrG-GDL-Elektrode wurde hergestellt, indem Mo-SACs/mrG-Tinte mit einer Beladungsmenge von 0,5 mg/cm2 auf die mit der Gasdiffusionsschicht beschichtete Kohlefaser getropft wurde.

PTFE@mrG-Tinte wurde auf die gleiche Weise wie PTFE@Mo-SACs/mrG-GDE hergestellt, außer dass Mo-SACs/mrG in mrG geändert wurden.

Für die drahtlose künstliche Blattstruktur wurde eine Ag-Paste-Cu-Folie-Ag-Paste verwendet, um die SnO2-x/BiVO4/WO3-Photoanode mit der PTFE@Mo-SACs/mrG-GDE-Kathode zu verbinden. Zur Wasserdichtigkeit wurden die gesamten ohmschen Kontakte mit Epoxidharz überzogen.

Rasterelektronenmikroskopbilder (REM) wurden mit einem Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop (FESEM, JSM-7800F, Japan) aufgenommen. Röntgenbeugungsmuster (XRD) wurden mit einem D500/5000-Diffraktometer in Bragg-Brentano-Geometrie unter Cu-Kα-Strahlung erhalten. Bilder der hochauflösenden Transmissionselektronenmikroskopie (HR-TEM) wurden auf einem FEI Talos F200X JEOL-Elektronenmikroskop mit energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDS) aufgenommen. Die jährliche Hochwinkel-Dunkelfeld-Scan-Transmissionselektronenmikroskopie (HAADF-STEM) wurde mit einem JEOL JEM-ARM200F TEM/STEM (200 kV) mit einem sphärischen Aberrationskorrektor durchgeführt. Die Messungen der Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) wurden mit einem PHI-5000versaprobeIII durchgeführt. Die Spektren wurden anhand der Referenz des C1s-Peaks bei 284,8 eV kalibriert. Ultraviolett-sichtbare (UV-vis) diffuse Reflexionsspektren wurden mit einem UV-Vis-Spektrometer (Shimadzu UV-3600-Spektrophotometer) erhalten, das mit einer Ulbrichtkugel ausgestattet war. Die Messungen der paramagnetischen Elektronenresonanz (EPR) wurden mit einem Bruker EMXplus-Spektrometer durchgeführt. Die Mikrowellenleistung betrug 6,325 mW, die Mikrowellenfrequenz betrug 9,826 GHz und die Temperatur betrug 298 K.

Es gibt zwei Systeme (ein Drei-Elektroden-System und ein Zwei-Elektroden-System) für die photoelektrochemischen (PEC) Messungen zur Untersuchung der Aktivität von Photoanode/Tandem-Gerät. Insbesondere wurde das Drei-Elektroden-System unter Verwendung einer Photoanode als Arbeitselektrode, gesättigtem Ag/AgCl als Referenzelektrode und einer Kohlenstoffelektrode oder Designkathode als Gegenelektrode ausgeführt, wobei die Designkathode als Gegenelektrode verwendet wurde nur im Tandemgerät. Zur Bewertung des Tandemgeräts wurde das Zwei-Elektroden-System mit einer Photoanode als Arbeitselektrode und einer Kathode als Gegenelektrode verwendet. Alle Potentiale wurden durch die Gleichung E (V vs. RHE) = E (V vs. Ag/AgCl) + 0,0591 × pH + 0,197 in die Referenzskala der reversiblen Wasserstoffelektrode (RHE) umgerechnet. Die Beleuchtungsquelle war eine 300 W Xe-Bogenlampe mit einem AM 1,5G-Filter (100 mW/cm2, FX 300, Beijing PerfectLight Co. Ltd). Messungen der elektrochemischen Impedanzspektroskopie (EIS) wurden mit einer Wechselstromstörung von 10 mV durchgeführt, die über den Frequenzbereich von 10−2 Hz bis 106 Hz angelegt wurde.

Tests zur elektrochemischen Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR) wurden in einem CS2350H-Potentiostat (Corrtest, Wuhan) mit einer Drei-Elektroden-Zelle bei Raumtemperatur durchgeführt. Es wurde eine RRDE-Anordnung (AFE7R9GCPT, Pine Instruments) bestehend aus einer rotierenden Glaskohlenstoff-Scheibenelektrode (Φ = 5,0 mm) und einem Pt-Ring (Φ = 8,0 mm) mit einer theoretischen Sammeleffizienz von 37 % verwendet. Als Arbeitselektrode wurde eine mit Katalysator beladene Glaskohlenstoffelektrode verwendet. Die Arbeitselektroden wurden durch Dispergieren des Katalysatorpulvers in Ethanol und 5 % Nafion 117-Lösung (20 µL Nafion für 1 ml Ethanol) hergestellt, um eine Katalysatorkonzentration von ~1 mg mL−1 zu erreichen. Nach 60-minütiger Ultraschallbehandlung wurden 7 μl der Katalysatortinte auf eine Glaskohlenstoffscheibe (Fläche: 0,196 cm2) getropft. Die ORR-Aktivität und -Selektivität wurden anhand von Polarisationskurven und RRDE-Messungen in einem sauerstoffgesättigten Elektrolyten untersucht. Die H2O2-Selektivität wurde mit der folgenden Gleichung berechnet: η(%) = 200 × (IRing/N)/(IDisc + IRing/N). Die Elektronentransferzahl (n) an der Scheibenelektrode während der ORR wurde mit n = 4 − (2 × ηH2O2) berechnet, wobei IRing der Ringstrom, IDisc der Scheibenstrom und N die Sammeleffizienz ist.

Ein H-Typ-Quarzreaktor mit zwei Kammern wurde verwendet, um sowohl die anodische als auch die kathodische H2O2-Produktionseffizienz des künstlichen Blattes zu bewerten. Der Zweikammerreaktor enthielt eine 0,4 M NaHCO3-Lösung sowohl in der Photoanoden- als auch in der Kathodenkammer, getrennt durch eine Nafion 117-Membran. Die Elektrolytlösung in den Kathodenkammern wurde vor dem Test zunächst 30 Minuten lang mit reinem O2 gespült, und für Stabilitätstests wurde der reine O2 kontinuierlich zugeführt. Alle Stromdichten wurden auf die geometrische Fläche der Photoanode normiert. Es wurde ein integriertes PEC-System (PEC1000, Beijing Perfectlight Technology Co., Ltd.) mit einem Sonnensimulator (AM 1.5G) verwendet.

Das künstliche Blatt wurde in einen Einkammer-Quarzreaktor unter AM 1,5-Beleuchtung und kontinuierlicher O2-Spülung gegeben, um die Farbstoffabbautests durchzuführen. Der Elektrolyt war 15 ml einer 0,4 M NaHCO3-Lösung mit 15 ppm NP und 0,04 ppm Mn(II). Die aktive Fläche des künstlichen Blattes betrug 7 cm2. Darüber hinaus wurde das Abwasser auf 200 ml einer 0,4 M NaHCO3-Lösung mit 5 ppm Rhodamin B (Rh. B), 5 ppm Methylenblau (MB), 5 ppm NP und 0,04 ppm Mn(II) umgestellt, als die aktive Fläche des künstlichen Blatt wurde auf 70 cm2 erweitert. In regelmäßigen Abständen wurden Probenaliquots entnommen und schnell getestet. Die Konzentration von 4-Nitrophenol (NP), Methylenblau (MB) und Rhodamin B (Rh. B) wurde mit einem Ultraviolett-sichtbaren (UV-vis) Spektrometer (PE Lambda 750 Spektrophotometer) gemessen.

Die H2O2-Entwicklung wurde mit der N,N-Diethyl-1,4-phenylendiamin (DPD)-Methode nachgewiesen. Eine Stammlösung von DPD wurde durch Auflösen von 0,1 g DPD in 10 ml einer 0,05 M H2SO4-Lösung hergestellt. Eine Peroxidase (POD)-Lösung wurde durch Auflösen von 10 mg POD in 10 ml entionisiertem Wasser hergestellt und bis zur Verwendung im Kühlschrank aufbewahrt. Eine Kaliumphosphat-Pufferlösung wurde durch Mischen von 49,85 ml entionisiertem Wasser, 43,85 ml 1 M monobasischem Kaliumphosphat und 6,3 ml 1 M Kaliumphosphat hergestellt. Probenaliquots (2 ml) wurden während der Bestrahlung mit einer Spritze gesammelt, mit 0,4 ml Kaliumphosphatpufferlösung, 3 ml Wasser, 0,05 ml DPD und 0,05 ml POD gemischt und 90 s lang geschüttelt. Die erhaltenen Lösungen wurden mit einem Ultraviolett-sichtbaren (UV-Vis)-Spektrometer (PE Lambda 750-Spektrophotometer) analysiert.

Die Löschtests zur Identifizierung reaktiver Sauerstoffspezies (ROSs) wurden auf Basis der EPR-Technologie mit verschiedenen Opfermitteln durchgeführt: p-Benzochinon (BQ, ein Opfermittel für ·O2−), 2, 2, 6,6-Tetramethylpiperidin (TEMP, ein Opferwirkstoff für 1O2) und tert-Butanol (TBA, ein Opferwirkstoff für ·OH). Die Opfermittel wurden vor Beginn der Reaktion zugegeben und die anderen Schritte waren die gleichen wie bei den obigen Experimenten.

Die in diesem Dokument beschriebenen Daten sind auf begründete Anfrage bei den Autoren erhältlich.

Parvulescu, VI, Epron, F., Garcia, H. & Granger, P. Jüngste Fortschritte und Perspektiven in der katalytischen Wasseraufbereitung. Chem. Rev. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.1c00527 (2021).

Shang, Y., Xu, X., Gao, B., Wang, S. & Duan, X. Einzelatomkatalyse in fortgeschrittenen Oxidationsprozessen zur Umweltsanierung. Chem. Soc. Rev. 50, 5281–5322 (2021).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Xu, J. et al. Organische Abwasserbehandlung durch einen Einzelatomkatalysator und elektrolytisch erzeugtes H2O2. Nat. Aufrechterhalten. 4, 233–241 (2021).

Artikel PubMed Google Scholar

Li, L. et al. ROS-katalytische übergangsmetallbasierte enzymatische Nanoagenzien zur Tumor- und Bakterienvernichtung. Adv. Funktion. Mater. 32, 2107530 (2021).

Thomas, N., Dionysiou, DD & Pillai, SC Heterogene Fenton-Katalysatoren: ein Überblick über die jüngsten Fortschritte. J. Hazard. Mater. 404, 124082 (2021).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Nagar, A. & Pradeep, T. Sauberes Wasser durch Nanotechnologie: Bedürfnisse, Lücken und Erfüllung. ACS Nanotechnologie. 14, 6420–6435 (2020).

CAS Google Scholar

Hodges, BC, Cates, EL & Kim, JH Herausforderungen und Perspektiven fortschrittlicher Oxidationswasseraufbereitungsprozesse unter Verwendung katalytischer Nanomaterialien. Nat. Nanotechnologie. 13, 642–650 (2018).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Yang, X. et al. Der Einfluss von Peroxymonocarbonat (HCO4−) auf die Umwandlung organischer Verunreinigungen während der chemischen In-situ-Oxidation von Wasserstoffperoxid (H2O2). Umgebung. Wissenschaft. Technol. 6, 781–786 (2019).

CAS Google Scholar

Richardson, DE, Yao, H., Frank, KM & Bennett, DA Gleichgewichte, Kinetik und Mechanismus bei der Bicarbonataktivierung von Wasserstoffperoxid: Oxidation von Sulfiden durch Peroxymonocarbonat. Marmelade. Chem. Soc. 122, 1729–1739 (2000).

Artikel CAS Google Scholar

Sayama, K. Produktion hochwertiger Chemikalien auf Oxidhalbleiter-Photoanoden unter sichtbarem Licht für solarchemische Umwandlungsprozesse. ACS Energy Lett. 3, 1093–1101 (2018).

Artikel CAS Google Scholar

Xia, C. et al. Eingeschlossenes lokales Sauerstoffgas fördert die elektrochemische Wasseroxidation zu Wasserstoffperoxid. Nat. Katal. 3, 125–134 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Liu, J., Zou, Y., Jin, B., Zhang, K. & Park, JH Wasserstoffperoxidproduktion durch solare Wasseroxidation. ACS Energy Lett. 4, 3018–3027 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Cheng, L. et al. Effiziente H2O2-Oxidation organischer Farbstoffe, katalysiert durch einfache Kupfer(II)-Ionen in wässriger Bicarbonatlösung. Ind. Eng. Chem. Res. 53, 3478–3485 (2014).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Xu, A., Li, X., Ye, S., Yin, G. & Zeng, Q. Katalysierter oxidativer Abbau von Methylenblau durch in situ erzeugte Kobalt(II)-Bicarbonat-Komplexe mit Wasserstoffperoxid. Appl. Katal. B 102, 37–43 (2011).

Artikel CAS Google Scholar

Dasgupta, J., Tyryshkin, AM, Kozlov, YN, Klimov, VV & Dismukes, GC Carbonatkomplexierung von Mn2+ in der wässrigen Phase: Redoxverhalten und Ligandenbindungsmodi durch Elektrochemie und EPR-Spektroskopie. J. Phys. Chem. B 110, 5099–5111 (2006).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Pan, H. et al. Jüngste Fortschritte im Bikarbonat-aktivierten Wasserstoffperoxidsystem zur Wasseraufbereitung. Chem. Ing. J. 408, 127332 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Jeon, TH et al. Solare photoelektrochemische Synthese einer elektrolytfreien wässrigen H2O2-Lösung ohne elektrische Vorspannung und H2. Energie. Umgebung. Wissenschaft. 14, 3110 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Li, L., Hu, Z. & Yu, JC Bedarfsorientierte Synthese von H2O2 durch Wasseroxidation für eine nachhaltige Ressourcenproduktion und den Abbau organischer Schadstoffe. Angew. Chem. Int. Ed. 59, 20538–20544 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Yim, MB, Berlett, BS, Chock, PB & Stadtman, ER Mangan(II)-bicarbonat-vermittelte katalytische Aktivität für die Wasserstoffperoxid-Dismutation und Aminosäureoxidation: Nachweis freier Radikal-Zwischenprodukte. Proz. Natl Acad. Wissenschaft. USA 87, 394–398 (1990).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Rothbart, S., Ember, EE & van Eldik, R. Mechanistische Studien zum oxidativen Abbau von Orange II durch Peressigsäure, katalysiert durch einfache Mangan(ii)-Salze. Optimierung der Lebensdauer des Katalysators. NJ Chem. 36, 732–748 (2012).

Artikel CAS Google Scholar

Saadeh, SM, Lah, MS & Pecoraro, VL Mangankomplexe von α-Hydroxysäuren. Inorg. Chem. 30, 8–15 (2002).

Artikel Google Scholar

John, RP, Sreekanth, A., Kurup, MR & Fun, HK Chelatisierungsverhalten von 2-Hydroxyacetophenon-N(4)-disubstituierten Thiosemicarbazonen: einfache Bildung von Mn(IV)-Komplexen − Röntgenstruktur-, EPR- und zyklische Voltammetriestudien. Polyhedron 24, 601–610 (2005).

Artikel CAS Google Scholar

Zhang, K. et al. Nahezu vollständige Unterdrückung der Sauerstoffentwicklung für die photoelektrochemische H2O-oxidative H2O2-Synthese. Marmelade. Chem. Soc. 142, 8641–8648 (2020).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Dong, C. et al. Präzise Synthese einzelner Atome (Mo, W, Nb), koordiniert mit funktionellen Sauerstoffgruppen von Graphenoxid, für eine stabile und selektive Zwei-Elektronen-Sauerstoffreduktion in neutralen Medien. J. Mater. Chem. Ein https://doi.org/10.1039/D1TA10529A (2022).

Kim, JH & Lee, JS Aufwändig modifizierte BiVO4-Photoanoden für die solare Wasserspaltung. Adv. Mater. 31, e1806938 (2019).

Artikel PubMed CAS Google Scholar

Sivula, K. & van, R. Halbleitermaterialien für die photoelektrochemische Energieumwandlung. Nat. Rev. Mater. 1, 15010 (2016).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Ifkovits, ZP, Evans, JM, Meier, MC, Papadantonakis, KM & Lewis, NS Entkoppelte elektrochemische Wasserspaltungssysteme: ein Rückblick und eine Perspektive. Energie. Umgebung. Wissenschaft. 14, 4740–4759 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Xue, Y., Wang, Y., Pan, Z. & Sayama, K. Elektrochemische und photoelektrochemische Wasseroxidation zur Wasserstoffperoxidproduktion. Angew. Chem. Int. Ed. 60, 10469–10480 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Wang, Q., Pornrungroj, C., Linley. S. & Reisner, E. Strategien zur Verbesserung der Lichtnutzung in der Solarkraftstoffsynthese. Nat. Energie 7, 13–24 (2021).

Barton, EE, Rampulla, DM & Bocarsly, AB Selektive solarbetriebene Reduktion von CO2 zu Methanol mithilfe einer katalysierten photoelektrochemischen Zelle auf p-GaP-Basis. Marmelade. Chem. Soc. 130, 6342–+ (2008).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Beranek, R. Selektivität chemischer Umwandlungen: Sind lichtgesteuerte photoelektrokatalytische Prozesse besonders vielversprechend? Angew. Chem. Int. Ed. 58, 16724–16729 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Trześniewski, BJ et al. Nahezu vollständige Unterdrückung von Oberflächenverlusten und vollständiger interner Quanteneffizienz in BiVO4-Photoanoden. Energieumwelt. Wissenschaft. 10, 1517–1529 (2017).

Artikel Google Scholar

Kim, HW et al. Effiziente Erzeugung von Wasserstoffperoxid mithilfe von Elektrokatalysatoren zur Sauerstoffreduktion auf der Basis von reduziertem Graphenoxid. Nat. Katal. 1, 282–290 (2018).

Artikel Google Scholar

Hodes, G. Photoelektrochemische Zellmessungen: Die Grundlagen richtig machen. J. Phys. Chem. Lette. 3, 1208–1213 (2012).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Xu, W., Lu, Z., Sun, X., Jiang, L. & Duan, X. Superwetting-Elektroden für die Gas-Elektrokatalyse. Acc. Chem. Res. 51, 1590–1598 (2018).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Zhang, Q. et al. Hocheffiziente Elektrosynthese von Wasserstoffperoxid an einer superhydrophoben Dreiphasengrenzfläche durch natürliche Luftdiffusion. Nat. Komm. 11, 1731 (2020).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Yu, J., Li, BQ, Zhao, CX, Liu, JN & Zhang, Q. Asymmetrisches Luftkathodendesign für verbesserte elektrokatalytische Grenzflächenreaktionen in Hochleistungs-Zink-Luft-Batterien. Adv. Mater. 32, e1908488 (2020).

Artikel PubMed CAS Google Scholar

Wang, Q. et al. Molekular hergestellte Photokatalysatorfolie für die skalierbare solare Formiatproduktion aus Kohlendioxid und Wasser. Nat. Energie 5, 703–710 (2020).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Jeon, TH et al. Solare photoelektrochemische Synthese einer elektrolytfreien wässrigen H2O2-Lösung ohne elektrische Vorspannung und H2. Energieumwelt. Wissenschaft. 14, 3110–3119 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Jeon, TH, Kim, H., Kim, HI & Choi, W. Äußerst langlebige photoelektrochemische H2O2-Produktion über duale Photoanoden- und Kathodenprozesse unter sonnensimulierenden und externen vorspannungsfreien Bedingungen. Energieumwelt. Wissenschaft. 13, 1730–1742 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Sun, J. & Wu, Y. Anthrachinon-Redox-Relais für die farbstoffsensibilisierte photoelektrochemische H2O2-Produktion. Angew. Chem. Int. Ed. 59, 10904–10908 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Fan, W. et al. Effiziente Wasserstoffperoxidsynthese durch metallfreies Polyterthiophen mittels photoelektrokatalytischer Disauerstoffreduktion. Energieumwelt. Wissenschaft. 13, 238–245 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Fuku, K. & Sayama, K. Effiziente oxidative Wasserstoffperoxidproduktion und -akkumulation bei der photoelektrochemischen Wasserspaltung unter Verwendung einer Wolframtrioxid/Wismutvanadat-Photoanode. ChemComm 52, 5406–5409 (2016).

CAS Google Scholar

Mase, K., Yoneda, M., Yamada, Y. & Fukuzumi, S. Meerwasser, nutzbar für die Produktion und den Verbrauch von Wasserstoffperoxid als Solarbrennstoff. Nat. Komm. 7, 11470 (2016).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Fuku, K., Miyase, Y., Miseki, Y., Gunji, T. & Sayama, K. WO3/BiVO4-Photoanode, beschichtet mit einer mesoporösen Al2O3-Schicht für die oxidative Produktion von Wasserstoffperoxid aus Wasser mit hoher Selektivität. RSC Adv. 7, 47619–47623 (2017).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Shi, X., Zhang, Y., Siahrostami, S. & Zheng, X. Lichtbetriebene BiVO4-C-Brennstoffzelle mit gleichzeitiger Produktion von H2O2. Adv. Energie Mater. 8, 1801158 (2018).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Fuku, K. et al. Photoelektrochemische Wasserstoffperoxidproduktion aus Wasser auf einer WO3/BiVO4-Photoanode und aus O2 auf einer Au-Kathode ohne externe Vorspannung. Chem. Asian J. 12, 1111–1119 (2017).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Mase, K., Yoneda, M., Yamada, Y. & Fukuzumi, S. Effiziente photokatalytische Produktion von Wasserstoffperoxid aus Wasser und Disauerstoff mit Wismutvanadat und einem Kobalt(II)-Chlorin-Komplex. ACS Energy Lett. 1, 913–919 (2016).

Artikel CAS Google Scholar

Mehrotra, R., Oh, D. & Jang, JW Eigenständige selektive solare Wasserstoffperoxidproduktion durch eine in oxidiertes Buckypapier integrierte Perowskit-Fotokathode. Nat. Komm. 12, 6644 (2021).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Ju, KS & Parales, RE Nitroaromatische Verbindungen, von der Synthese bis zum biologischen Abbau. Mikrobiol. Mol. Biol. Rev. 74, 250–272 (2010).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Hou, H., Zeng, X. & Zhang, X. Herstellung von Wasserstoffperoxid durch photokatalytische Prozesse. Angew. Chem. Int. Ed. 59, 17356–17376 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Zhao, S. & Zhao, Appl. Katal. B 250, 408–418 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Ji, J. et al. Defekte an CoS2-x: Abstimmung von Redoxreaktionen für einen nachhaltigen Abbau organischer Schadstoffe. Angew. Chem. Int. Ed. 60, 2903–2908 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Guo, Z. et al. Einzelatom-Mn-N4-stellenkatalysierte Peroxonreaktion zur effizienten Produktion von Hydroxylradikalen in einer sauren Lösung. Marmelade. Chem. Soc. 141, 12005–12010 (2019).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Che, H. et al. Iodidinduzierte Fragmentierung von polymerisiertem hydrophilem Kohlenstoffnitrid für eine leistungsstarke quasi-homogene photokatalytische H2O2-Produktion. Angew. Chem. Int. Ed. 60, 25546–25550 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Referenzen herunterladen

Diese Arbeit wurde von NSFC (22172077, 21902104) und dem Internationalen Kooperationsprogramm (BZ2020063) der Provinz Jiangsu, der Natural Science Foundation der chinesischen Provinz Jiangsu (BK 20211573) und den Fundamental Research Funds for the Central Universities (30921011216) unterstützt. Diese Forschung wurde auch vom Yonsei Signature Research Cluster Program von 2021 (2021-22-0002) unterstützt. JH Park dankt NRF Korea für die Unterstützung (2019R1A2C3010479, 2021M3H4A1A03049662, 2022H1D3A3A01077254, 2022R1A4A200823).

MIIT Key Laboratory of Advanced Display Material and Devices, School of Materials Science and Engineering, Nanjing University of Science and Technology, 210094, Nanjing, China

Chaoran Dong, Yilong Yang, Xuemin Hu und Kan Zhang

Abteilung für Chemie- und Biomolekulartechnik, Yonsei University, 50 Yonsei-ro, Seodaemun-gu, Seoul, 120-749, Republik Korea

Yoonjun Cho, Gyuyong Jang und Jong Hyeok Park

Schlüssellabor für integrierte Regulierung und Ressourcenentwicklung an flachen Seen des Bildungsministeriums, Hochschule für Umwelt, Hohai-Universität, 210098, Nanjing, China

Yanhui Ao

Hochschule für neue Materialien und neue Energien, Shenzhen Technology University, Shenzhen, Guangdong, VR China

Luyang Wang

Jiangsu Key Laboratory of Chemical Pollution Control and Resources Reuse, School of Environmental and Biological Engineering, Nanjing University of Science and Technology, 210094, Nanjing, China

Jinyou Shen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

KZ und JHP konzipierten und gestalteten die Experimente. YHA und JYS führten die Messung und Analyse des Farbstoffabbaus durch, CRD und LYW führten die Materialsynthese und elektrochemische Charakterisierung durch. YLY und XMH waren an einem Teil der Synthese beteiligt. YC und GJ führten eine Materialcharakterisierung durch. KZ, CRD, YHA und JHP haben das Papier gemeinsam verfasst. Alle Autoren diskutierten die Ergebnisse und kommentierten das Manuskript.

Korrespondenz mit Yanhui Ao, Jong Hyeok Park oder Kan Zhang.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Nature Communications dankt den anonymen Gutachtern für ihren Beitrag zum Peer-Review dieser Arbeit. Peer-Reviewer-Berichte sind verfügbar.

Anmerkung des Herausgebers Springer Nature bleibt hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten neutral.

Open Access Dieser Artikel ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert, die die Nutzung, Weitergabe, Anpassung, Verbreitung und Reproduktion in jedem Medium oder Format erlaubt, sofern Sie den/die ursprünglichen Autor(en) und die Quelle angemessen angeben. Geben Sie einen Link zur Creative Commons-Lizenz an und geben Sie an, ob Änderungen vorgenommen wurden. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe für das Material nichts anderes angegeben ist. Wenn Material nicht in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten ist und Ihre beabsichtigte Nutzung nicht durch gesetzliche Vorschriften zulässig ist oder über die zulässige Nutzung hinausgeht, müssen Sie die Genehmigung direkt vom Urheberrechtsinhaber einholen. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Nachdrucke und Genehmigungen

Dong, C., Yang, Y., Hu, X. et al. Selbstzyklisches Photo-Fenton-ähnliches System basierend auf einem künstlichen Blatt mit einem Wirkungsgrad der Umwandlung von Solarenergie in H2O2 von 1,46 %. Nat Commun 13, 4982 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-32410-0

Zitat herunterladen

Eingegangen: 3. Januar 2022

Angenommen: 29. Juli 2022

Veröffentlicht: 25. August 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-022-32410-0

Jeder, mit dem Sie den folgenden Link teilen, kann diesen Inhalt lesen:

Leider ist für diesen Artikel derzeit kein Link zum Teilen verfügbar.

Bereitgestellt von der Content-Sharing-Initiative Springer Nature SharedIt

npj Sauberes Wasser (2023)

Durch das Absenden eines Kommentars erklären Sie sich damit einverstanden, unsere Nutzungsbedingungen und Community-Richtlinien einzuhalten. Wenn Sie etwas als missbräuchlich empfinden oder etwas nicht unseren Bedingungen oder Richtlinien entspricht, kennzeichnen Sie es bitte als unangemessen.

Blog