哈工大(深圳)杨磊课题组ACB:光催化协同增强类芬顿体系——光生电子介导的可持续动态Fe(III)/Fe(II)氧化还原循环
- 2026-05-08 22:35:12
第一作者：王磊
通讯作者：杨磊
通讯单位：哈尔滨工业大学（深圳）
论文DOI: 10.1016/j.apcatb.2026.126526
图文摘要
成果简介
哈尔滨工业大学（深圳）杨磊课题组在Applied Catalysis B: Environment and Energy上发表了题为“Photocatalysis synergistically enhanced Fenton-like process: Photogenerated electron-mediated sustainable dynamic Fe(III)/Fe(II) redox cycle”的研究论文（DOI: 10.1016/j.apcatb.2026.126526），本研究通过构建双二维二硫化钼/锌铁层状双氢氧化物复合材料（2D/2D MoS2@ZnFe-LDH），并耦合光催化与类芬顿体系，成功实现了高效协同催化，以解决传统类芬顿体系的固有缺陷。ZnFe-LDH的层状结构使得Fe活性位点能够牢固锚定并在层间均匀分散，避免形成团簇，同时增强传质效率，加速过一硫酸盐（PMS）的吸附和活性氧物种的解吸。所构建的2D/2D异质结增强了界面共价键合与相容性，缩短了光生载流子的迁移距离，从而显著提高了电荷分离效率，进而加速了Fe(III)/Fe(II)循环，实现了在宽pH范围内可持续催化。通过EPR、原位XPS、淬灭与探针实验以及DFT计算综合分析表明，PMS可高效吸附在Fe位点上并被还原生成硫酸根自由基（SO4•-）和羟基自由基（•OH）。同时，结合EPR、表面Fe(II)浓度测定、原位光电化学与拉曼测量、XPS以及DFT的进一步表征证实，光生电子可同时还原Fe(III)并促进自由基解吸，从而实现可持续协同催化。这项工作为开发高效、可持续光-类芬顿双效耦合体系提供了新策略。
引言
近年来，基于PMS的高级氧化工艺因其持续高效和生态友好的特性，被广泛应用于降解持久性有机污染物。然而，在传统的类芬顿体系中，铁位点分布不均、比表面积有限、活性位点固定性差、Fe(III)/Fe(II)循环效率低和铁泥积聚，共同导致了PMS活化效率下降。可见光作为一种清洁、可再生的能源，与传统类芬顿体系相结合，被认为是克服Fe(III)/Fe(II)循环动力学缓慢并持续促进PMS活化的有效策略。然而，光-类芬顿体系的效能仍受限于传质效率差、Fe(III)/Fe(II)循环效率低下以及PMS吸附和ROS解吸困难等问题。此外，晶体结构和形貌的差异导致界面结合弱、接触面积有限，这无疑增加了界面电荷转移阻力，延长了传输距离，降低了光生载流子分离效率和催化活性。对此，我们在2D ZnFe-LDH表面原位生长能带结构匹配的2D MoS2，构建了2D/2D异质结。该复合材料随后与传统类芬顿体系耦合，实现了“1 + 1 > 2”的高效、可持续协同催化，从根本上解决了上述挑战。
图文导读
在最佳反应条件下，PMS在Fe活性位点上的特异性吸附实现了苯酚的高效去除，矿化效率达到50.20 %，并表现出优异的量子产率、时空产率、品质因数和反应动力学速率。多项实验证实，类芬顿体系与光催化之间存在显著的协同效应，协同指数达9.69。在二维/二维MoS2@ZnFe-LDH复合材料中，光生电子经由异质结界面沿Z型路径迁移：从MoS2导带转移至ZnFe-LDH价带并与空穴复合。一方面，紧密的2D/2D界面增强了PMS的吸附和活化能力，而Fe(II)作为活性中心，激活PMS生成SO4•-和•OH。同时，由于ZnFe-LDH的导带比Fe(III)/Fe(II)的标准氧化还原电位（0.77 eV）更负，部分光生电子可持续将Fe(III)还原为Fe(II)，从而加快Fe(III)/Fe(II)循环，维持反应的持续进行。另一方面，由于氧还原电位（E0(O2/O2•-) = -0.33 eV, vs. NHE）高于ZnFe-LDH的导带，导带中的另一部分电子可以与O2反应生成O2•-，随后通过歧化反应转化为H2O2，并进一步被Fe(II)激活生成•OH。在上述两条路径的协同作用下，苯酚得以高效降解。此外，该体系还能够在各种复杂水体中高效运行，并在连续流反应器中保持24小时稳定运行，表现出优异的抗干扰能力且无生物毒性，显示出广阔的工程应用前景。
Figure 1. (a) Degradation of PhOH in different systems; (b) Degradation of PhOH in different oxidants; (c) Effect of initial pH; (d) Effect of light intensity; (e) Effect of coexisting ions and HA; (f) Recycling experiments; (g) Effect of various water environments; (h) Degradation of pollutants in a continuous-flow flat-plate reactor; (i) Toxicity prediction of PhOH and its degradation intermediates.
Figure 2. (a) OCP curves; (b) TPC curves; (c) Surface Fe(Ⅱ) concentration; (d) PMS consumption; (e) XPS spectra of Fe 2p; (f) EPR of Fe(Ⅲ) in a suspension of MoS2@ZnFe-LDH composite after Fenton-like degradation;(g) In-situ Raman spectra; (h-i) Determination of Cdl and ECSA.
Figure 3. (a-d)EPR spectra of SO4•-, ⋅OH,O2•-,1O2 and h+; (e) Effect of different scavengers on the degradation of PhOH; (f-i) Degradation of BA, NB, NBT and DPBF.Reaction conditions: [MoS2@ZnFe-LDH]0 = 0.15 g/L, [PMS]0= 1 mM, [MeOH]0 = [TBA]0 = 1 M, [PhOH]0= 10 mg/L, [p-BQ]0 = [FFA]0 = [AO]0 = 1 mM, [DMPO] = 100 mM, [TEMPO] = 2 mM, [BA]0= [NB]0 = [NBT]0 =50 μM, [DPBF]0 = 100 mM, light intensity = 1000 W/m2, and initial pH = 7.0.
Figure 4.(a-c) Adsorption energy, charge density difference, and bader charge of PMS on Fe, Zn and Mo sites; (d) O-O bond length of PMS; (e-f) Changes in the PDOS of Fe site before and after PMS adsorption; (g) The activation pathways of PMS at different sites; (h) The system energy change after Fe site activation by photogenerated e-.
作者简介
杨磊博士、副教授、博士生导师、任南琪院士团队成员；陕西省百人计划、深圳市海外高层次人才、雁塔青年学者；Hagfeldt教授外籍院士工作站执行主任、中国能源学会专委会委员、深圳市先进功能碳基材料研究与综合应用重点实验室副主任、《Chinese Chem. Lett.》青年编委、《Int. J. Env. Res. Pub. He.》编委、《Curr. Chinese Eng. Sci.》编委、国际水协会会员、美国材料学会/化学学会会员。围绕环境领域亟待解决的新兴问题“利用清洁能源高效降解去除环境微污染物”，长期致力于新型纳米材料光催化高级氧化污染治理方向的基础理论及关键技术研究。主持国家自然科学基金3项（面上项目、国际合作与交流项目、青年科学基金项目）、江西省“科技+水利”联合计划项目、陕西省百人计划科研启动项目、陕西省自然科学基金、陕西省教育厅科研基金、深圳市海外高层次人才科研启动项目、深圳市自然科学基金、雁塔青年学者基金、哈尔滨工业大学深圳校区质量工程项目以及横向课题等10余项科研项目。参与完成澳大利亚研究学者基金、欧盟第七框架国际研究合作计划、瑞典研究理事会基金、瑞典能源署基金等7项科研项目。
至今已在《J. Am. Chem. Soc.》等SCI核心期刊发表学术论文40余篇，其中23篇影响因子大于10，4篇ESI高被引论文，13篇引用过百，总引用4984次，h因子31，i10因子58（谷歌学术）。担任《Appl. Catal. B: Environ.》、《Appl. Energ.》、《J. Hazard. Mater.》等SCI核心期刊审稿人。获批发明专利27项、实用新型专利3项，申报中国发明专利20余项。
参考文献：
Lei Wang, Jianpu Xing, Jianqiao Zhang, Weijun Chen, Mingyan Wang, Yan Li, Yongmin Cao, Wenjie Liu, Weibin Li, Yinghe Zhang, Lei Yang, Photocatalysis synergistically enhanced Fenton-like process: Photogenerated electron-mediated sustainable dynamic Fe(III)/Fe(II) redox cycle, Applied Catalysis B: Environment and Energy, 388 (2026): 126526.
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2026.126526
投稿、合作、转载、进群，请添加小编微信Environmentor2020！环境人Environmentor是环境领域最大的学术公号，拥有25W+活跃读者。由于微信修改了推送规则，请大家将环境人Environmentor加为星标，或每次看完后点击页面下端的“在看”，这样可以第一时间收到我们每日的推文！环境人Environmentor现有综合群、期刊投稿群、基金申请群、留学申请群、各研究领域群等共20余个，欢迎大家加小编微信Environmentor2020，我们会尽快拉您进入对应的群。
往期推荐
扫描二维码，快速入群~
