河南师范大学Nano Energy：摩擦纳米发电机助力生物质衍生碳材料作阴极催化剂的自驱动电芬顿降解系统

【引言】

Fenton法作为高级氧化技术的一种，利用Fe²⁺和H₂O₂反应生成强氧化性的•OH，可以氧化降解多种有机污染物。受高昂的H₂O₂存储和运输成本、H₂O₂即时分解造成污染物降解效率低以及反应过程中产生不可再生的铁泥等缺点限制，Fenton法很难进行广泛推广。随着electro-Fenton（EF）法的出现，实现了H₂O₂的“自我供给”和Fe²⁺的循环使用，成功克服了Fenton法存在的不足。但传统的EF过程需要外部能源供能反应所需的电能，这无疑加重了环境负担，限制了其在有机污染物处理中的应用。摩擦纳米发电机（TENG）可以将周围环境中广泛存在的机械能转化为电能，使其可以作为供能装置为EF体系源源不断供应电能。同时，作为影响有机污染物降解效率的关键因素，为EF体系寻找廉价、高效的催化剂也至关重要。为此，研究人员以木兰花为前驱体，合成出一种碳基催化材料作为EF体系的阴极催化材料，并且设计多层柔性耐磨TENG（RFM-TENG），成功实现了碱性橙2（BO2）的降解。

【成果简介】

近日，河南师范大学化学化工学院高书燕教授（通讯作者）研究团队利用生物质基碳材料做阴极，借助其最新设计的TENG提供电能供，组成自驱动EF体系，首次实现了自驱动EF体系在有机污染物处理中的应用。RFM-TENG的短路电流、转移电荷量和开路电压分别可以达到960 μA，2.8 μC和1050 V。在RFM-TENG的驱动下，难降解的有机污染物——BO2被EF过程产生的•OH降解为CO₂。该研究成果以“An Innovative Electro-Fenton Degradation System Self-Powered by Triboelectric Nanogenerator Using Biomass-Derived Carbon Materials as Cathode Catalyst”为题发表在Nano Energy上。（本文第一作者是陈野，在读博士，导师高书燕教授）

【图文导读】

图1. RFM-TENG的结构示意图和发电机理

（a）RFM-TENG的组装过程示意图；

（b）RFM-TENG在一个工作周期内的产电机理；

（c）COMSOL对发电机电势分布的模拟。

图2. RFM-TENG在3 Hz频率下工作的输出性能

（a）  有不同摩擦层数量TENG的短路电流；

（b）  有不同摩擦层数量TENG的转移电荷量；

（c）  有不同摩擦层数量TENG的开路电压，插图是含6个摩擦层TENG的开路电压；

（d）  含6个摩擦层TENG的输出电流和功率密度随负载电阻变化，插图是经30000个循环后的最大短路电流。

图3. MF-800-4的各项参数表征

（a）  MF-800-4的FESEM图；

（b）  MF-800-4的TEM图，插图是HR-TEM；

（c）  MF-800-4的XRD图，插图是拉曼光谱；

（d）  MF-800-4的N₂吸附/脱附等温线；

（e）  MF-800-4的FT-IR图；

（f） MF-800-4的XPS全扫描谱，插图是接触角；

（g,h,i）MF-800-4的高分辨XPS谱C 1s，O 1s和N 1s。

图4. RFM-TENG在电化学方面的应用

（a）  RFM-TENG驱动BO2降解示意图；

（b）  在N₂或O₂饱和的浓度为0.05 mol/L ，pH=2.0的Na₂SO₄水溶液中，MF-800-4的CV曲线；

（c）  在单室体系中，施加−0.8 V的电位，MF-800-4阴极位置H₂O₂的浓度；

（d）  MF-800-4的EIS谱，插图是等效电路图；

（e）  在RFM-TENG的驱动下，BO2降解过程的UV-vis；

（f）  在0.05 mol /L，pH=2.0的Na₂SO₄水溶液中，BO2降解过程中间产物的GC-MS谱，（1）2,4-二羟基偶氮苯，（2）苯胺，（3）苯酚，（4）4-氨基苯酚（5）对苯二酚（6）1,4-苯醌（7）1,2,4-苯三酚。

 图5. 降解机理示意图

      MF-800-4作为阴极催化材料，RFM-TENG驱动降解BO2机理示意图

【小结】

研究人员以木兰花为前驱体，合成一种碳基催化剂作为EF体系的阴极材料，设计了一种以海绵作为缓冲层的RFM-TENG，并结合EF过程实现了BO2的自驱动降解。该研究工作不仅有利于机械能转化为稳定的电能，而且将生物质基碳材料成功运用于自驱动EF体系降解有机污染物，对于有机污染物的处理有重要的参考价值。

文献链接： An Innovative Electro-Fenton Degradation System Self-Powered by Triboelectric Nanogenerator Using Biomass-Derived Carbon Materials as Cathode Catalyst（Nano Energy, 2017, DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.10.060）

（1）团队介绍

本团队围绕与生物、能源、资源和环境相关的材料化学新体系，在学科交叉融合的基础上，对功能化的碳基材料作为催化剂或电极材料的潜在应用价值、获取能源的新型方式进行了系统、深入的研究。主要研究方向：

1、掺杂碳材料的构建及其在ORR中的应用；

2、互穿结构碳材料的结构设计及在超级电容器中的应用；

3、碳材料在摩擦纳米发电机自驱动降解体系中的应用。

（2）团队在该领域工作汇总

以生物质基碳材料为电极材料，用设计搭建的不同模式摩擦纳米发电机供能，成功实现了有机污染物的自驱动降解。这一系列研究工作为探寻高效、廉价的电极材料应用于自驱动体系，进而实现对不同种类有机污染物的处理提供了参考。

（3）相关优质文献推荐

[1] Shuyan Gao*, Keran Geng, Haiying Liu, Xianjun Wei, Min Zhang, Peng Wang*, Jianji Wang*. Transforming Organic-Rich Amaranthus Waste into Nitrogen-Doped Carbon with Superior Performance of the Oxygen Reduction Reaction[J]. Energy Environmental Science, 2014, 8(1): 221-229.（高被引论文）

[2] Xianjun Wei*, Xiaoqiang Jiang, Jishi Wei, Shuyan Gao*. Functional Groups and Pore Size Distribution do Matter to Hierarchically Porous Carbons as High-Rate-Performance Supercapacitors[J]. Chemistry Materials, 2016, 28(2): 445-458.（高被引论文）

[3] Xin Zheng, Jingzhen Su, Xianjun Wei, Tao Jiang, Shuyan Gao*, Zhong Lin Wang*. Self-Powered Electrochemistry for the Oxidation of Organic Molecules by a Cross-Linked Triboelectric Nanogenerator[J]. Advanced Materials, 2016, 28(26): 5188-5194.

[4] Shuyan Gao*, Jingzhen Su, Xianjun Wei, Miao Wang, Miao Tian, Tao Jiang, Zhong Lin Wang*. Self-Powered Electrochemical Oxidation of 4-Aminoazobenzene Driven by a Triboelectric Nanogenerator[J]. ACS Nano, 2017, 11(1): 770-778.

[5] Shuyan Gao*, Ye Chen, Jingzhen Su, Miao Wang, Xianjun Wei, Tao Jiang, Zhong Lin Wang*. Triboelectric Nanogenerator Powered Electrochemical Degradation of Organic Pollutant Using Pt-Free Carbon Materials[J]. ACS Nano, 2017, 11(4), 3965-3972.

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