Bifunctional Catalytic Cooperativity on Nanoedge: Oriented Ce–Fe Bimetallic Fenton Electrocatalysts for Organic Pollutant Control

催化作用 阴极 双金属片 双功能 过氧化氢 激进的 化学 化学工程 阳极 密度泛函理论 无机化学 电极 物理化学 有机化学 计算化学 工程类
作者
Ying Liu,Yulin Yang,Wei Miao,Ningjie Du,Dandan Wang,Hehe Qin,Shun Mao,Kostya Ostrikov
出处
期刊:ACS ES&T engineering [American Chemical Society]
卷期号:1 (12): 1618-1632 被引量:24
标识
DOI:10.1021/acsestengg.1c00149
摘要

Electro-Fenton (EF) is one of the promising clean and renewable technologies for organic pollutant control. However, insufficient hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) generation and the subsequent hydroxyl radicals ( • OH) conversion still prevent the wide applications of EF. Herein, we report a Ce-doped vertically aligned α-FeOOH nanoflakes anchored on a carbon felt (CF) cathode for EF operation. In this system, a high concentration H 2 O 2 (113.6 mg/L on 4 cm 2 cathode) is generated in 60 min, and being efficiently catalyzed to • OH by virtue of the active nanoedge (1.6 nm thickness) of Ce-doped α-FeOOH. The • OH production rate is calculated as high as 4.2 mM/W/cm 2 /min, which is ∼6.6-fold higher compared with the unmodified CF electrode. Moreover, this novel cathode achieves a complete removal (100% removal rate) of ultrahigh concentration chloramphenicol (1.1 mM, 355 mg/L) in 8 h and a high mineralization rate (94%) in 29 h in a scaled-up EF system. Density functional theory calculations (DFT) reveal that the Ce doping in α-FeOOH greatly promotes the conversion of H 2 O 2 into • OH. This study not only offers a novel cathode structure for EF process but also opens radically new prospects for applied environmental catalysis.
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