Angew. Chem. ：Fe(III) 诱导高效压电催化自循环芬顿快速降解有机污染物

原位产H₂O₂耦合Fe(II)/Fe(III)自循环的新型芬顿技术在有机废水处理领域具有广阔的应用前景。目前基于半导体催化剂的自循环芬顿体系大多以Fe(II)活化两电子氧还原所产生的H₂O₂来启动芬顿反应。然而，其反应速率极易受到催化剂氧还原（O₂ + 2H⁺ + 2e^–→ H₂O₂）和Fe(II)再生（Fe(III) + e^– → Fe(II)）相互竞争的限制。此外，该过程无法有效地利用催化剂的氧化能力。因此，开发一种可以最大化利用催化剂氧化和还原能力，同时实现Fe(II)快速再生的芬顿体系尤为重要。

近日，河海大学敖燕辉教授课题组通过将Fe(III)引入 BiOIO₃压电催化体系中，成功诱导了两电子水氧化产H₂O₂（2e^– WOR-H₂O₂）和Fe (III)快速还原相耦合的压电催化自循环芬顿（PSF）反应。其中，Fe(III)的加入可以大幅促进BiOIO₃压电催化水氧化产H₂O₂动力学，并利用压电催化产生的电子完成Fe(III)/Fe(II)高效循环，从而实现有机污染物的快速降解。

实验结果表明，BIO压电催化体系具有较高的2e^– WOR-H₂O₂选择性。根据DFT理论计算，该现象可能归因于BIO表面对水分子的高吸附能以及夺电子倾向，同时反应吉布斯自由能表明相比于4e^– WOR路径，2e^– WOR拥有更低的反应能垒。此外，应力作用下BIO增强的氧化还原电势和载流子迁移能力阐明了压电催化2e^– WOR-H₂O₂高活性的由来。基于BIO对2e^– WOR-H₂O₂的高选择性，作者在进一步在反应过程中引入Fe(III)以构建 PSF体系，结果表明其拥有优于BIO/ Fe(II) PSF体系的羟基自由基（·OH）产量。

通过铁的原位物种检测实验，BIO/Fe(III) PSF体系中Fe(III)可被压生电子快速还原为Fe(II)，并迅速与H₂O₂进行芬顿反应。电化学测试表明Fe(III)的加入可以显著促进WOR-H₂O₂的动力学过程。因此在增强的WOR-H₂O₂与快速的Fe(II)再生反应的共同推动下BIO/Fe(III) PSF体系展现出远高于BIO/Fe(II) PSF体系的污染物降解速率（3.5倍）。该研究为构建高效的PSF体系提供了新的视角，打破了芬顿反应中对Fe(III)的固有观念。

论文信息

Highly Efficient Fe^III-initiated Self-cycled Fenton System in Piezo-catalytic Process for Organic Pollutants Degradation

Jing Xu, Qiang Zhang, Xin Gao, Peifang Wang, Huinan Che, Chunmei Tang, Yanhui Ao

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202307018