利用BiFeO?/Fe?O?的压电效应驱动过氧化单硫酸盐的活化过程，以实现高效的水污染物去除

《Ceramics International》：Piezoelectrically driven peroxymonosulfate activation by BiFeO 3/Fe 3O 4 for efficient aqueous pollutant removal

硫酸根自由基协同压电催化降解有机污染物研究。采用BiFeO3/Fe3O4磁性复合材料，通过机械振动激活过硫酸盐（PMS），实现硫酸根自由基（SO4^•?）高效生成，催化降解速率常数达19.89×10?2 min?1，较纯BiFeO3提升12倍，同时具备磁分离回收特性。摘要分隔符：

　　

宁静静|秦妮|陈梦诗|鲍定华

中国中山大学材料科学与工程学院光电子材料与技术国家重点实验室，广州510275

摘要

鉴于新兴有机污染物对水生生态系统持续构成的威胁，开发高效且环境可持续的水处理技术至关重要。在各种高级氧化过程中，通过过硫酸盐（PMS）激活产生的SO₄^•-具有显著优势，包括较长的半衰期和宽的pH适用范围。同时，压电催化技术能够将环境中普遍存在的机械能转化为化学能，从而无需依赖光源即可实现持续的催化活性，并且能耗较低。在本研究中，成功合成了具有磁可回收性的BiFeO₃/Fe₃O₄（BFO/FO）压电催化剂。通过创新地将压电催化与PMS激活相结合，最大限度地发挥了机械能驱动催化和自由基氧化的协同效应。实验结果表明，BFO/FO复合材料的压电催化降解速率常数（k）（3.06 × 10^-2 min^-1）是纯BFO（1.52 × 10^-2 min^-1）的两倍。更值得注意的是，引入PMS后，k值显著增加到19.89 × 10^-2 min^-1，远超单独的压电系统，清楚地证明了压电-PMS催化系统中的优异协同效应。此外，该催化剂表现出显著的稳定性和环境适应性。本研究为可持续水处理技术的发展提供了新型材料和创新方法，同时也拓宽了压电催化在环境修复领域的应用范围。

引言

新兴有机污染物持续进入水生环境导致了严重的生态扰动。这些污染物通常难以被自然降解，给传统水处理方法的有效去除带来了挑战[1]、[2]、[3]。作为应对措施，高级氧化过程（AOPs）被广泛采用，作为有效降解这些顽固有机化合物的先进替代方案。AOPs的核心原理是生成活性氧物种（ROS），包括羟基自由基（•OH）和超氧阴离子自由基（•O₂^-），它们在反应系统中表现出强烈的氧化活性[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]。这些ROS通过特定的技术手段产生，如催化剂激活、光激发和氧化剂的组合。这些物种的高反应性和氧化潜力促进了有机污染物的有效降解。芬顿反应就是一个典型的例子，其中Fe²⁺激活H₂O₂生成•OH，从而促进有机污染物的氧化分解[14]、[15]、[16]、[17]。然而，与液态H₂O₂相比，固体氧化剂过硫酸盐（PS）的储存和运输成本要低得多，两者都是活性物种的前体。此外，与使用•OH的高级氧化过程相比，硫酸根自由基（SO₄^•-具有明显优势：其半衰期长达约30-40毫秒，远超过•OH的1毫秒半衰期。此外，SO₄^•-在更宽的pH范围内也有效。这些特性共同为PS-AOPs在废水处理中的实际应用创造了非常有利条件，使其在水环境修复领域得到了广泛认可和关注[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]。

在水处理领域，尽管PS具有相当大的应用潜力，但由于其分子结构中O-O键的稳定性，其直接氧化能力有限[24]、[25]、[26]。因此，激活PS以破坏稳定的O-O键并产生强氧化物种是高效降解难降解有机污染物的关键步骤。传统的激活技术，如热激活、光激活、过渡金属激活和碱激活，能够促进PS的激活。然而，这些方法存在高能耗、因光源限制而效率有限以及频繁调整pH值等缺点[27]、[28]、[29]、[30]。因此，这些限制阻碍了它们满足高效、环境可持续和成本效益高的处理过程的需求。值得注意的是，压电催化剂因其独特优势而成为最佳选择[31]、[32]。这些催化剂能够在外部机械振动（如风能、潮汐能或超声波产生的振动）的作用下产生内部电场，并利用这种清洁的机械能驱动催化反应。这种方法不仅降低了二次污染的风险，还通过战略设计显著提高了激活效率。例如，MoS₂纳米花和基于BaTiO₃的复合压电催化剂在PS激活和有机污染物降解方面表现出显著效果[32]、[33]、[34]、[35]、[36]、[37]，凸显了它们在水处理过程中的潜在应用。

基于铁的材料在催化领域受到了广泛关注，因为它们具有环境兼容性、丰富的可用性和成本效益。基于此，本研究选择BiFeO₃/Fe₃O₄（BFO/FO）复合材料作为压电催化剂，利用BFO的优异压电性能和过硫酸盐（PMS）激活之间的协同效应，有效促进ROS的生成。同时，引入的FO组分具有半金属导电性，不仅增加了活性位点的数量，还为催化剂赋予了良好的磁响应性。这种性质的结合促进了异质界面间的高效电荷传输，并显著简化了反应后的催化剂磁分离和回收过程。通过将压电催化与AOPs相结合，本研究提出了一种开发高效水处理技术的新策略，从而扩展了压电材料在环境修复中的应用范围。

部分内容摘录

化学品

所有化学品均从Macklin Biochemical Technology Co., Ltd.商业购买，纯度为分析级。为确保一致性，整个实验过程中使用去离子水（DI）作为标准水源。

材料制备

合成程序如图S1所示，采用化学沉淀法制备FO，而BFO及其复合材料的合成则采用水热法。

BFO片层的合成：通常，Bi(NO₃)₃·5H

物理化学表征

合成样品的晶体结构通过XRD进行表征。如图1a和图S2所示，所有BFO样品的衍射峰与标准BFO的衍射图谱（R3c空间群，JCPDS卡片编号86-1518）非常吻合，从而确认了样品的相纯度和高结晶度。对于FO，观察到的主要衍射峰位于30.1°、35.4°、43.1°、56.9°和62.5°，分别对应于（220）、（311）、（400）

结论

总之，成功开发了一种具有高催化活性和易于回收的BFO/FO复合材料。该系统创新地将压电催化与PS-AOPs相结合，利用清洁的机械能驱动反应，从而实现了多种有机污染物的有效降解。材料表征证实了BFO和FO之间形成了明确的异质界面。FO的引入不仅促进了分离

CRediT作者贡献声明

鲍定华：撰写 – 审稿与编辑，验证，资金获取。陈梦诗：方法学。秦妮：方法学。宁静静：撰写 – 原始草稿，研究，概念化

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

数据可用性

本文描述的研究未使用任何数据。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了广东省重点研发计划（编号：2023B0101200008）、广东省基础与应用基础研究基金（编号：2025A1515010749）以及国家自然科学基金（编号：51872335）的支持。