南开大学JHM:基于氮自掺杂生物炭的无金属电芬顿自由基和非自由基协同降解
来源：天津人才网
时间：2023-01-27 02:06:42
作者：天津人才网
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论文DOI：10.1016/j.jhazmat.2022.129063图文摘要
最近，南开大学环境科学与工程学院董恒老师团队在Journal of Hazardous Materials期刊上发表题为“Radical and non-radical cooperative degradation in metal-free electro-Fenton based on nitrogen self-doped biochar”的文章。在这项研究中，为了实现可持续的无金属电子芬顿，作者通过热解咖啡渣制备了N自掺杂生物炭空气阴极（BCAC）。在热解过程中，内源氮从边缘掺杂转变为石墨掺杂。特别是当峰值温度超过 700°C时，N空位开始演变。在4 mA·cm-2的电流密度下，BCAC上的四环素去除率高达 70.42%。采用结合ESR光谱的淬火测试来识别阴极上产生的特定氧化剂。结果表明，•OH（37.36%）、•O2-（29.67%）和1O2（24.17%）在去除四环素方面的作用相当，表明我们的电芬顿系统中自由基和非自由基氧化剂并存。根据结构表征和DFT计算，石墨N被认为是H2O2生成的关键位点，石墨N和吡啶N都是H2O2活化成•OH的电活性位点。石墨N和N空位具有更强的O2吸附和电子俘获能力，被提议作为1O2 和•O2-形成的电活性位点。这项工作预测了一种新型的电芬顿工艺，在温和条件下对N自掺杂碳质催化剂进行自由基和非自由基协同降解，这对于促进可持续的电芬顿技术具有极其重要的意义。图文导读
Fig. 1. (a)SEM image of BC-900; (b)TEM image of BC-900; (c) HRTEM image of BC-900; (d) SEM-EDX elemental mapping image of BC-900 for C and N; (e) AFM image of BC-900 on mica substrate; (f)The height distribution map of BC-900 on mica substrate.
Fig. 2. (a)TGA and DTG curves of the precursor of BC conducted in N2 atmosphere; (b) XRD patterns, (c) N2 adsorption–desorption isotherms, (d) pore size distributions, (e) Raman spectra, (f) FTIR spectra of BC-500, BC-600, BC-700, BC-800 and BC-900.
Fig. 3. XPS spectra of BCs: (a) C1s, (b) O1s, (c) N1s; (d) Absolute weight changes of C, O and N in BC with pyrolysis temperatures; (d) Relative nitrogen content of BC-500, BC-600, BC-700, BC-800 and BC-900.2. ORR的电催化活性
Fig. 4. (a) O2 TPD of BC-700, BC-800 and BC-900; (b) Nyquist plots of EIS spectra at open circuit potential and equivalent circuit mode; (c) Tafel diagram; (d) Cyclic voltammograms in [Fe(CN)6]3−/4− at 50 mV s-1; (e) CV curves in the atmosphere of N2 and O2 respectively (The electrolyte: 50 mM Na2SO4 solution; potential window: 0.4 V~ −1.0 V vs. Ag/AgCl; scanning rate:10 mV s−1); (f) Electron transfer number for the BCAC-500, BCAC-600, BCAC-700, BCAC-800 and BCAC-900.3. BCAC降解四环素
Fig. 5. (a) Performance of TC adsorption and electrochemical degradation; (b)Corresponding TOC removal in 120 min; (c) Multi-running of BCAC (Conditions: 5 mM Na2SO4,100 mg L-1 TC, j = 4 m A cm-2).
Fig. 6. (a) DMPO-•OH ESR spectra; (b) DMPO-•O2- ESR spectra; (c) TMP-1O2 ESR spectra of BC-900; (d) TC degradation in the quenching tests with BCAC-900 under N2/air atmosphere; (e) Kinetics inhibition rate for different scavengers under N2/air atmosphere; (f) Contribution rate of the oxidants for TC degradation.
Fig. 7. Energy evolutions for reaction path calculation: (a) 4e- reaction paths and (b) 2e- reaction paths of ORR; Adsorption structure of oxygen molecule on N-doped graphene (c)graphite N, (d)pyridine N.
Fig. 8. Energy gap between triplet and singlet oxygen molecules.通过在500、600、700、800和900°C的峰值温度下热解咖啡渣，在没有任何外部N源的情况下制备了一系列N自掺杂生物炭。将粉末状生物炭卷成均匀的空气阴极，用于电化学 ORR和污染物降解实验。在热解过程中，内源N从边缘掺杂转变为图形掺杂。此外，当温度高于700 °C 时，由于N流失，N空位逐渐演变。BCAC的降解能力通过BCAC-900在 4 mA·cm-2电流密度下120分钟内70.42%的TC去除率得到验证。对阴极产生的特定氧化剂的研究表明，•OH（37.36%）、•O2-（29.67%）和 1O2（24.17%）在TC去除中的作用相当。实验和理论分析表明，石墨N 是H2O2生成的关键位点，石墨N和吡啶N都是H2O2活化为•OH 的电活性位点。石墨N和N空位是产生•O2-和1O2的电活性位点，因为它们具有更强的O2吸附和电子俘获能力。这项工作提出了一种创新的EF工艺，该工艺基于N自掺杂碳质催化剂在中性pH值下协同自由基和非自由基降解，这对于开发可持续的EF技术极具价值。文献信息：
Ting Zhang, et al. Radical and non-radical cooperative degradation in metal-free electro-Fenton based on nitrogen self-doped biochar, Journal of Hazardous Materials, 2022https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2022.129063声明：本文仅为了分享与交流学术成果，无任何商业用途。如涉及侵权，请联系我们及时修改或删除。邮箱：ecologyor@sina.com。由于微信修改了推送规则，请大家将《高级氧化圈》加为“星标”，或每次看完后点击页面下端的“在看”，这样可以在第一时间收到我们的推文，谢谢！
