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Pollutant‐Powered Oxygen Activation by Enzyme‐Inspired Self‐Sustaining Catalytic Membranes for Water Purification

催化作用 化学 氧气 膜 氧化还原 水处理 化学工程 饮用水净化 污染物 析氧 化学反应 无机化学 化学能 催化氧化 多相催化 电子供体 分子氧 协同催化
作者
Xixi Chen,Wanyi Fu,Hang Luo,Hui Xu,Yulong Yang,Xihui Zhang,Bingcai Pan
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:: e21747-e21747
标识
DOI:10.1002/anie.202521747
摘要

Abstract Conventional catalytic water purification remains energy‐ and chemical‐intensive due to reliance on external stimuli for oxidant activation. Here, we present a self‐sustaining catalytic membrane (TMF‐CM) incorporating Ti‐doped Mn 3 O 4 /Fe 3 O 4 catalysts with engineered oxygen vacancies, which harness pollutants as electron donors to drive enzyme‐mimetic redox cycles. Through nanoconfinement within ceramic membrane pores, dissolved oxygen is autonomously activated by electrons derived from contaminants, enabling continuous regeneration of active sites without chemical additives. Mechanistic investigations, supported by spectroscopic and computational evidence, reveal that high‐valent metal–oxo intermediates mediate contaminant oxidation while concurrently restoring oxygen vacancies, thereby sustaining catalytic cycles. During 10‐day continuous testing in real wastewater, the TMF‐CM system achieved over 90.1% contaminant removal and exhibited self‐cleaning capability. This autonomous catalytic paradigm leverages the inherent chemical energy of wastewater, eliminating chemical additives and cutting energy consumption by 70%–98% compared to UV‐ or electrochemical‐based systems. By integrating molecular oxygen activation with circular electron transfer, we establish a sustainable oxidation strategy that extends beyond conventional water treatment paradigms.
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