Phenolics-Reengineered Electron Flow in the Electro-Fenton Process for Energy-Conserving Decontamination

人体净化 过程(计算) 流量(数学) 材料科学 废物管理 工艺工程 环境科学 化学 污染 连续流动 核工程 电子流
作者
Zhipeng Luo,Yue Cheng,Fangkun Lin,Junjie Li,Yilei Fang,Diyong Tang,Xin Yu,Gong Zhang,Huabin Zeng
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acs.est.6c03782
摘要

Electro-Fenton (EF) process suffers from energy and electron inefficiencies arising from residual H 2 O 2 or excess Fe II due to the stoichiometric mismatch between the two-electron oxygen reduction reaction (2e – ORR) and ferric ion reduction (FRR) at a shared cathode. Here, we reengineered electron flow in the EF system to achieve on-demand Fe II supply synchronized with H 2 O 2 generation. A specific cathode spatially decouples 2e – ORR from FRR, while phenolic coordination modulates the spin state of Fe III to accelerate ferric–peroxide interactions. Quantum-chemical-calculation-assisted in situ spectroscopy reveals a ligand-to-metal charge-transfer chromogenic pathway involving a transient, high-spin phenolics-Fe III -OOH intermediate, which undergoes homolytic Fe–O bond cleavage to yield Fe II and HO 2 · /O 2 ·– . This establishes a directional flow of cathodic electron toward H 2 O 2 and subsequently to Fe III (H 2 O 2 as shuttle), sustaining autonomous · OH generation until H 2 O 2 is exhausted. The reengineered EF system thereby achieves a 17-fold enhancement in · OH production at mg-level iron dosage, concomitant with 53.4% reduction in energy consumption relative to conventional EF systems. Finally, pairing this process with anodic hydroxylation of aromatics extends its applicability to the cost-effective treatment of wastewater containing diverse aromatic pollutants. Overall, this work provides a framework for integrating advanced 2e – ORR cathodes into energy-efficient, redox-neutral systems for scalable wastewater decontamination.
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