利用自驱动光电化学系统对含放射性废水的有效处理：该系统采用SnO?纳米棒修饰的碳纤维作为阴极

《Applied Catalysis B: Environment and Energy》：Resourceful treatment of radioactive wastewater by a self-driven photoelectrochemical system with SnO 2 nanorod decorated carbon fiber cathode

本研究通过电化学调控有序多孔碳（OMC）的氧官能团和孔道结构，显著提高两电子氧还原反应（2e-ORR）的选择性（91.6%）和法拉第效率（87.5%），并验证其在电化学芬顿系统中高效降解有机污染物的能力，结合密度泛函理论和分子动力学模拟揭示了氧官能团与反应中间体吸附、孔道尺寸与传质效率的协同作用机制。

　　这项研究围绕如何利用两电子氧还原反应（2e-ORR）高效、选择性地生产过氧化氢（H?O?），并将其应用于电芬顿系统中进行有机污染物的降解。目前，低成本的碳材料虽然在电化学反应中具有一定的应用潜力，但在实际操作中往往面临活性不足和选择性低的问题。为了解决这一难题，研究团队提出了一种通过电化学手段调控有序介孔碳（OMC）中氧功能团和孔道结构的新策略。该方法不仅显著提升了H?O?的选择性（达到91.6%）和法拉第效率（87.5%），还为实现高效的原位有机污染物降解提供了可能。

在电芬顿技术中，H?O?的生产是关键环节之一。通过2e-ORR，氧气分子可以被还原为过氧化氢，同时避免生成水（H?O）这一4e-ORR副反应。然而，传统方法在调控反应路径时存在较大挑战，尤其是在如何平衡催化活性和选择性方面。碳材料因其丰富的来源、低廉的成本和良好的化学稳定性，被认为是实现这一目标的理想载体。然而，由于碳材料本身的电子结构不利于吸附和稳定*OOH（氧自由基）中间体，未经修饰的碳材料往往表现出较差的2e-ORR选择性。因此，如何有效调控氧功能团的含量和类型，以及如何优化孔道结构，成为当前研究的重点。

研究发现，不同类型的氧功能团对2e-ORR的选择性具有不同的影响。例如，?COOH、C?O?C、?C=O、?OH以及醌类等功能团均在一定程度上能够提升材料的催化性能。然而，这些功能团的具体作用机制和贡献程度仍存在争议。目前，许多研究尝试通过化学氧化、原位掺杂、等离子体处理和高温退火等传统方法引入氧功能团，但这些方法往往难以实现对氧含量和功能团组成的系统性调控。因此，开发一种简单、高效且精准的调控策略，对于拓展碳材料在各种生产场景中的应用具有重要意义。

与此同时，孔道结构在2e-ORR中也起着至关重要的作用。孔道不仅影响反应物和产物的扩散效率，还决定了活性位点的暴露程度以及局部微环境的特性。研究表明，介孔结构相较于微孔结构更有利于提升2e-ORR的活性和选择性。例如，一些实验指出，当孔径小于1.8纳米时，氧气分子难以有效参与反应，而介孔结构则能够显著增强氧气和氢离子（H?）向活性位点的传输效率。此外，微孔体积的增加也被发现可以提升反应的活性，从而实现较高的电流密度。然而，如何在孔径和孔体积之间找到最佳的平衡点，以同时满足活性和选择性的需求，仍然是一个尚未完全解决的问题。

基于上述背景，本研究提出了一种基于电化学调控的策略，用于优化有序介孔碳的结构。首先，通过调控电化学条件，研究团队能够对碳材料表面的氧功能团进行精准调控，同时保持其孔道结构的有序性。这一过程不仅提高了材料的表面活性，还增强了其对*OOH中间体的吸附和稳定能力，从而推动2e-ORR路径的进行。此外，通过实验和理论计算的结合，研究团队进一步揭示了氧功能团在2e-ORR选择性中的作用机制，为后续的材料设计提供了理论依据。

在实验方面，研究团队对EM-OMC催化剂进行了系统的表征和性能测试。通过结构和光谱分析，他们确认了电化学调控后氧功能团的分布和含量得到了显著优化。同时，他们还研究了不同电化学条件对材料性能的影响，发现通过调整电流和电压，可以有效调控功能团的类型和数量，从而提升反应的选择性和效率。在实际应用中，EM-OMC催化剂被用于连续电催化合成H?O?，并在电芬顿系统中对有机污染物（如双酚A）进行了有效的降解测试。实验结果表明，EM-OMC在实际应用中表现出优异的性能，不仅能够高效地生成H?O?，还能够实现对污染物的高效去除。

此外，研究团队还利用密度泛函理论（DFT）和分子动力学模拟（MD）对材料的性能进行了深入分析。DFT计算揭示了氧功能团对*OOH中间体的稳定作用，特别是羰基（C=O）功能团能够显著降低中间体的吉布斯自由能，从而促进2e-ORR路径的进行。分子动力学模拟则进一步展示了孔道结构对质量传递效率的影响，发现当孔径控制在2.4纳米左右时，质量传递效率达到峰值，这表明在孔道结构优化过程中，需要在活性位点的可及性和传输动力学之间找到最佳的平衡点。这些发现不仅为碳材料在电化学反应中的应用提供了新的思路，也为实现高效、选择性的环境修复技术奠定了基础。

通过电化学调控策略，研究团队成功实现了对碳材料的结构优化，使其在电化学反应中表现出更高的催化性能和选择性。这种策略的优势在于其过程简单、可控，可以在需要时随时停止，同时能够在常温常压下进行，对电解质的需求也较低。此外，该方法还具有良好的可重复性和可扩展性，适用于大规模生产的需求。相比之下，传统的化学氧化和高温退火等方法在调控过程中存在较大的不确定性，难以实现对功能团和孔道结构的系统性控制。

研究团队进一步指出，这种电化学调控策略不仅适用于有序介孔碳材料，还可能拓展到其他类型的碳基材料。例如，通过类似的调控方法，可以优化生物炭、活性炭等材料的结构，使其在不同的应用场景中表现出更优异的性能。此外，这种策略还可以与其他材料改性方法相结合，如异原子掺杂、缺陷工程等，以实现更全面的性能提升。这表明，电化学调控策略在碳材料的改性过程中具有广阔的应用前景。

在实际应用中，EM-OMC催化剂表现出优异的性能。不仅在实验室条件下能够高效地生成H?O?，还能够在电芬顿系统中实现对有机污染物的有效降解。实验结果表明，EM-OMC在实际应用中能够达到高达88.3%的双酚A去除率，这表明其在环境修复中的应用潜力巨大。此外，EM-OMC还表现出良好的循环稳定性，能够在多次循环后仍然保持较高的催化活性和选择性，这对于实际工程应用具有重要意义。

本研究的成果不仅为碳材料在电化学反应中的应用提供了新的思路，也为实现高效、选择性的环境修复技术奠定了基础。通过电化学调控策略，研究团队成功实现了对碳材料结构的优化，使其在不同的应用场景中表现出更优异的性能。这一研究为未来的环境治理和污染控制提供了重要的技术支持，同时也为相关领域的研究提供了新的方向和方法。