黄理辉教授团队在压电催化领域取得新进展 ​

近日，山东大学环境科学与工程学院黄理辉教授团队在新兴压电催化水处理技术领域取得系列新进展。相关成果先后发表于ACS Applied Materials & Interfaces、Chemical Engineering Journal等国际知名期刊上。

图1 机械力诱导MoS₂@MWCNTs压电催化降解有机污染物的反应机理

抗生素等新污染物对水环境构成严重威胁，压电催化技术利用机械能驱动污染物降解，具有无需光照、不添加化学试剂的优势。该团队通过精准构筑异质结结构与空位协同调控策略，成功开发出多壁碳纳米管负载富空位缺陷二硫化钼（MoS2@MWCNTs）新型压电催化剂，攻克了传统MoS₂压电系数低、导电性差的瓶颈，实现压电响应强度显著跃升。机理研究揭示压电催化过程中电子/能量转移双路径的单线态氧（1O2）生成，协同自由基（·OH/O2·-）及原位H2O2的氧化机制，突破传统压电催化对自由基路径的依赖。该工作不仅为高效机械能-化学能转化提供了空位缺陷工程与异质结协同的新范式，更以无需光照、不添氧化剂、极低单次处理成本的绝对优势，为暗场条件下水体抗生素治理提供了具有重大应用前景的解决方案。相关成果以“MoS2@MWCNTs with Rich Vacancy Defects for Effective Piezocatalytic Degradation of Norfloxacin via Innergenerated-H2O2: Enhanced Nonradical Pathway and Synergistic Mechanism with Radical Pathway”为题发表于国际期刊ACS Applied Materials & Interfaces上。

图2压电-类芬顿耦合体系催化降解新污染物的机理图

压电催化水处理技术虽已展现出其卓越的优势，但仍存在传统MoS2压电催化过程中原位生成H2O2未被有效利用与单一机械能转化效率低的核心瓶颈，团队创新性提出“过渡金属掺杂诱导双功能协同”策略，筛选出铁掺杂双晶相二硫化钼（Fe-MoS2），实现MoS2表面电子结构精准调控与芬顿活性位点植入，构建“压电-芬顿（PF）”耦合体系。压电力显微镜（PFM）测试显示其压电系数较未掺杂MoS2实现显著提升。该研究体系通过三重协同路径实现污染物高效清除：①压电效应驱动原位H2O2生成；②铁/钼双金属价态循环（Fe2+/Fe3+、Mo4+/Mo6+）触发非均相芬顿反应；③非自由基单线态氧（1O2）主导并与自由基（·OH/O2·-）协同降解。该研究实现压电催化与芬顿反应的分子级耦合，突破性解决机械能转化过程中活性氧利用率低的瓶颈，为抗生素废水治理提供了无需光照、宽pH适应且产物毒性显著降低的绿色解决方案。相关成果以“Transition metal doped MoS2for piezoelectric Fenton-catalyzed degradation of norfloxacin: Rapid innergenerated-H2O2conversion and dual pathways of non-radicals and radicals”为题发表于国际期刊Chemical Engineering Journal上。

以上相关成果，环境学院2022级博士研究生王雪瑶为论文第一作者，通讯作者为黄理辉教授，山东大学环境科学与工程学院为通讯作者单位。相关研究均得到国家重点研发项目的支持。

文章链接：https://doi.org/10.1021/acsami.4c04152；

https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.159027

【文字：王雪瑶 图片：王雪瑶 编辑：王权 责编：高悦 审核：高正】