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A Dual‐Cathode System with a Naturally Aspirated Cathode and a Bimetallic Quasi‐MOF Derived Electrode for Efficient Heterogeneous Fenton over a Wide pH Range

阴极 材料科学 双金属片 电极 对偶(语法数字) 航程(航空) 化学工程 纳米技术 复合材料 冶金 物理化学 化学 金属 工程类 文学类 艺术
作者
Sichao Zhu,Jiawei Qiang,Lin Hu,Xiulei Li,Yihang Li,Xiangwen Chen,Zhiqian Jia,Yu Yang
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:36 (5) 被引量:1
标识
DOI:10.1002/adfm.202502912
摘要

Abstract The heterogeneous electro‐Fenton (HEF) process exhibits substantial potential for environmental remediation but suffers from slow Fe(II) regeneration kinetics, catalyst instability, and poor recovery efficiency. Herein, a novel dual‐cathode system is introduced based on electrocatalytic membranes, consisting of a naturally aspirated cathode (NAC) and a bimetallic quasi‐MOF derived electrode (MNAC@Cu‐MIL‐88B(Fe)), decoupling hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) generation and activation. Compared to traditional HEF, H 2 O 2 is spontaneously produced on NAC via oxygen reduction reaction (ORR), eliminating aeration energy consumption. MNAC@Cu‐MIL‐88B(Fe) is synthesized through in situ growth on modified NAC (MNAC) and controlled thermal conversion, with copper (Cu) acting as an electron shuttle mediator, accelerating Fe(III)/Fe(II) cycling. Consequently, the system achieves 99.4% removal of 2,4‐dichlorophenoxyacetic acid (2,4‐D) in 90 min with minimal energy consumption (0.09 kWh(g TOC) −1 ). Endowed with stable PTFE membranes as the substrate, the dual‐cathodes enable facile recycling and maintenance. Mechanism studies reveal that the doped‐Cu shifts the d‐band center of MNAC@Cu‐MIL‐88B(Fe) closer to the Fermi energy level, enhancing d‐electron hybridization with H 2 O 2 and •OH generation. Furthermore, the Cu‐mediated electron shuttle process achieves a 93% Fe(II) regeneration rate through bimetallic synergy, ultimately improving HEF efficiency. This work offers a viable strategy for designing multimetallic quasi‐MOF derivatives and dual‐cathode systems, enhancing the potential for environmental remediation.
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