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Nature Communications volume 13, numero articolo: 4982 (2022) Citare questo articolo

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Milioni di famiglie in tutto il mondo rimangono vulnerabili alla scarsità d’acqua e non hanno accesso all’acqua potabile. I processi di ossidazione avanzata (AOP) rappresentano un modo efficace per la purificazione dell'acqua con specie reattive dell'ossigeno (ROS) qualificate, ma sono ostacolati dal processo noioso e costoso nell'ingresso del reagente consumabile, nella produzione di ROS e nel pretrattamento del supporto elettrolita. Qui, accoppiamo la produzione di H2O2 assistita dalla luce solare dall'acqua e da reazioni foto-Fenton in un sistema autociclabile utilizzando una foglia artificiale, ottenendo un tasso di produzione di H2O2 non assistito di 0,77 μmol/(min·cm2) sotto 1 sole AM 1,5 illuminazione. Inoltre, una grande foglia artificiale (70 cm2) è stata utilizzata per un sistema BAP (perossido di idrogeno attivato da bicarbonato) senza assistenza solare, con catalizzatori riciclati per la purificazione delle acque reflue in tempo reale con requisiti solo di acqua, ossigeno e luce solare. Questa dimostrazione evidenzia la fattibilità e la scalabilità della tecnologia fotoelettrochimica per applicazioni di governance ambientale decentralizzate, dai banchi di laboratorio all'industria.

I processi di ossidazione avanzata (AOP) sono un approccio riconosciuto in grado di trattare efficacemente vari inquinamenti organici in soluzioni acquose perché le specie reattive dell'ossigeno (ROS) generate hanno forti capacità di ossidazione per la mineralizzazione delle molecole organiche1. La reazione di Fenton è uno degli AOP più rappresentativi in ​​grado di generare rapidamente radicali idrossilici (·OH) ad alta concentrazione, pertanto è ampiamente adottato nell'ingegneria del trattamento delle acque reflue2. Tuttavia, la reazione di Fenton è un processo irreversibile che richiede la fornitura continua di vari reagenti chimici, come H2O2, sale di ferro, acidi/alcali e altri, che aumentano di più di una volta i costi dell'intero processo di trattamento delle acque reflue3. La fotocatalisi eterogenea su semiconduttori può generare una gamma di ROS mediante processi redox fotoindotti, che sono considerati AOP verdi e sostenibili con costi accessibili4. Negli ultimi decenni, numerosi sforzi sono stati dedicati alla degradazione fotocatalitica dell'inquinamento organico sviluppando o progettando vari fotocatalizzatori e sistemi fotocatalitici1,5. Tuttavia, la generazione diretta di ROS mediante processi redox fotoindotti in soluzioni acquose è profondamente limitata dalla rapida ricombinazione delle coppie elettrone/lacuna fotoindotte e dalle elevate barriere termodinamiche di generazione di radicali (ad esempio, ·O2− a −0,33 V e ·OH a 1,99 V vs. normale elettrodo a idrogeno, NHE), mentre la fotocatalisi combinata con reazione di Fenton, la cosiddetta reazione foto-Fenton, richiede anch'essa l'apporto di H2O26,7. Pertanto, esiste una grande necessità di trovare AOP effettivamente efficienti, a basso costo e sostenibili.

Negli ultimi anni, si è scoperto che il bicarbonato (HCO3−) non solo può reagire con H2O2 per formare HCO4− con elevata reattività, ma può anche agire come ausiliario per l'evoluzione ossidativa dell'acqua di H2O2 in condizioni fotoelettrochimiche (PEC), attraverso una reazione reversibile come segue8,9:

La reazione reversibile di cui sopra offre la possibilità di generazione e decomposizione in situ di H2O2 in una soluzione acquosa contenente HCO3− sotto illuminazione solare10,11,12. Inoltre, è stato segnalato che la coesistenza di HCO4− e H2O2 facilita la formazione di vari ROS (·O2−, ·OH, CO3•− et al.) mediante l'attivazione di ioni Co, Cu o Mn13,14,15. La correlazione tra HCO3−, H2O2, HCO4− e specie di radicali liberi ci ispira a progettare un sistema AOP autociclato con alta efficienza e costi accessibili16,17,18.

Qui, proponiamo un sistema autociclato simile a Fenton basato sulla foglia artificiale deliberatamente progettata, realizzando il sistema di reazione sostenibile per il trattamento delle acque reflue (Fig. 1a). In primo luogo, la foglia artificiale non assistita, alimentata dall'energia solare, composta da un fotoelettrodo SnO2-x/BiVO4/WO3 e un catalizzatore a singolo atomo di Mo modificato con politetrafluoroetilene (PTFE)/elettrodo di diffusione del gas rivestito con ossido di grafene leggermente ridotto (PTFE@Mo-SACs /mrG-GDE) soddisfa l'efficiente produzione di H2O2 in un elettrolita contenente bicarbonato con un tasso di produzione di 0,77 μmol/(min cm2) sotto illuminazione AM 1,5 G, corrispondente a un'efficienza priva di polarizzazione da solare a perossido di idrogeno ( SHyE) dell’1,46%. In secondo luogo, l'H2O2 generato può essere immediatamente attivato in situ nei principali ·OH, ·O2− e 1O2 et al. attraverso la catalisi delle specie Mn(II) nell'elettrolita bicarbonato, e le specie Mn(II) vengono corrispondentemente ossidate in specie Mn(IV) ad alta valenza. In terzo luogo, le specie Mn possono essere riciclate riducendo le specie Mn (IV) in Mn (II) nel catodo (Fig. 1a). Di conseguenza, il processo autociclante che richiede solo acqua, ossigeno e luce solare dimostra stabilità a lungo termine per più di un mese per la rimozione di vari inquinanti organici.