唐量/雷振东Nature子刊 ：构建无偏压驱动离子辅助光电化学系统，实现高效污水可持续处理

各种难降解有机污染物对水体的污染对环境和人类健康构成严重危害，已成为全球关注的重大问题。为了解决这个问题，结合了电催化和光催化两者优点的光电催化(PEC)技术已经成为一种有前途和环境友好的污染物降解方法。光电极的光生电荷的有效分离在保证PEC系统性能方面起着关键作用。传统的PEC系统需要施加偏压来有效地抑制光阳极中光生电子/空穴对的复合，这增加了系统的能耗。偏置电压是激活PEC系统中质子-电子耦合过程的关键。因此，降低电子耦合的能垒是提高电子耦合速率的关键因素。

最近的研究表明，水相中的离子在正极材料上的快速吸附可以促进快速电子偶合。鉴于废水中含有大量的无机盐，推测可以通过调节阴极电极材料的类型来设计反应路径，如用离子-电子耦合过程代替质子-电子耦合过程，调节电子的氧化还原电位等。但是，尽管该策略具有潜在的优势，离子辅助电子转移通路在PEC系统中的利用仍然未被研究。

近日，上海大学唐量和南洋理工大学雷振东等报道了一种集成电子-离子受体阴极的无偏压驱动离子辅助光电化学(IAPEC)系统，利用其快速的离子-电子耦合能力显著提高光阳极上电子和空穴的分离。

具体而言，研究人员证明了普鲁士蓝类似物可以作为稳定和可逆的电子受体，为光电子偶联阳离子提供反应位点；电子-离子受体阴极和光阳极之间的自发高电位差不仅大大提高了光生电子-空穴对的有效分离，并且驱动空穴激发强氧化剂自由基的形成，从而不需外加偏压。

值得注意的是，IAPEC系统在含氯介质的废水中表现出优越的降解性能，表明除了阳离子能够加快电子转移，氯离子的存在进一步提高了有效和可持续的废水处理。当NaCl浓度为0.1 M或更高时，IAPEC系统在20分钟内对亚甲基蓝(MB)的降解率达到100%；即使当NaCl浓度低至0.01 M，在60分钟内对MB的降解仍然可以达到约80%。

通过液相色谱-质谱(LC-MS)和密度泛函理论(DFT)计算结果分析了MB的降解途径：初始底物MB的降解行为主要表现为C-N键断裂和甲基去除过程：C₁₆H₁₈N₃S⁺的C-N键受到氯自由基的攻击，C-N键逐渐断裂得到C₁₅H₁₆N₃S⁺、C₁₄H₁₄N₃S⁺、C₁₃H₁₂N₃S⁺和C₁₂H₁₀N₃S⁺；在C₁₂H₁₀N₃S⁺中，N19和S20被氯自由基攻击，然后氧化裂解产生C₆H₆NO₂⁺；同时，C2、C4和O12基团在氯自由基作用下进一步氧化为C₆H₈NO₂⁺。随后，上述产物进一步降解生成乙酸、甲酸、H₂O、 CO₂、NO₃⁻、NH₄⁺等小分子，从而实现该化合物的完全降解。

Bias-free driven ion assisted photoelectrochemical system for sustainable wastewater treatment. Nature Communications, 2023. DOI: 10.1038/s41467-023-44155-5