继“铁泥绿色资源化（PNAS, 2024, 121, e2317394121）”的研究工作之后，我校化学与分子工程学院邢明阳教授课题组再次在国际权威综合类期刊《美国科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United Statesof America, PNAS）上发表环境化学领域最新研究成果，论文题为“Dynamic DefectsBoost In-Situ H2O2 Piezocatalysis for Water Cleanup”。
在水污染控制化学领域，基于H2O2的（类）芬顿技术是公认的化学法去除水中有机污染物的有效手段之一。然而，蒽醌法等商业化制备H2O2的方法不仅能耗高，还会带来贵金属污染物和有机废液等环境问题，并且H2O2在储存和运输方面还存在重大安全隐患。因此，开发环境友好的H2O2原位生成与催化技术是环境化学领域的研究热点之一。
近年来，压电催化作为一种极具潜力的新兴环境催化技术，在原位产H2O2及降解有机污染物、杀菌等污染物控制领域引起了人们广泛的关注。但是，传统压电催化产H2O2体系往往需要加入有机空穴牺牲试剂（潜在二次污染）且反应条件苛刻。近日，邢明阳教授团队开发了一种利用动态氧缺陷来促进ZnO原位产H2O2的环境友好型压电催化体系，并用于水中有机污染物的长效降解。采用一步水热结合光沉积的方法制备了Co纳米簇负载ZnO棒状压电催化剂（CZO，图A,B）。实验结合DFT计算证实，Co在超声过程中不仅能作为吸电子中心促进电子与空穴的分离（图C），还能促进ZnO表面氧缺陷的生成。随着超声时间的延长，氧缺陷的形成能显著降低且氧缺陷的EPR信号峰显著增强（图D,E），这说明CZO在超声过程中形成了表面动态氧缺陷。随着氧缺陷浓度的升高，CZO对O2的吸附能降低（图F），从而促进压电电子通过双电子反应历程活化O2原位产H2O2。实验结果表明，在不加入任何有机牺牲剂的条件下，超声3小时最高可生成1.8 mM H2O2（图G）以及对苯酚50.9%的矿化率，分别是空白ZnO的10.5倍和13倍。此外，实验证实1O2是羟基化苯酚等有机物的主要活性物种，而•OH则是开环矿化有机污染物的主要活性物种（图H）。CZO压电体系具有优异的抵抗pH值、阴离子、天然有机质等环境基质干扰的能力（图I），即使在环境中暴露5个月之久，CZO依然保持优异的原位产H2O2及降解苯酚的性能（图J）。而溶出的钴和锌离子只需经过简单的加碱陈化处理，即可实现金属离子回收及产H2O2能力的再生（图K,L）。环境友好型可再生CZO压电体系可实现对有机污染物52小时以上的长效降解（图M），在水污染控制领域具有潜在的应用前景。
该论文以华东理工大学为第一通讯单位，我校资源与环境工程学院博士研究生冉茂希同学为第一作者，化学学院邢明阳教授和暨南大学曾力希教授为共同通讯作者。同时，该研究工作得到了我校化工学院张亚运老师在DFT计算方面给予的支持，以及欧洲科学院院士张金龙教授的悉心指导。该工作还得到了费林加诺贝尔奖科学家联合研究中心、材料生物学与动态化学教育部前沿科学中心、国家自然科学基金杰出青年基金等项目的支持。
论文链接：www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2317435121