Modulation of Charge‐Ordered Carriers Within 3D Fe3S4 Polyurethane Foam (Fe3S4‐PUF) for Efficient Iron Redox Cycling and Continuous‐Flow Photocatalytic Antibiotics Degradation

氧化还原 催化作用 光催化 材料科学 石墨烯 电子转移 降级(电信) 化学工程 纳米技术 光化学 化学 有机化学 工程类 冶金 电信 计算机科学
作者
Yangzi Shangguan,Ranhao Wang,Huan Tang,Shimao Deng,Qiushi Hu,Jiaxin Liang,Huiling Zhou,Xihan Chen,Hong Chen
出处
期刊:Small [Wiley]
标识
DOI:10.1002/smll.202411116
摘要

Abstract Photocatalytic antibiotic degradation is an energy‐efficient and environmentally friendly approach with the potential for large‐scale application but is severely constrained by the lack of efficient and stable catalysts to produce reactive oxygen species (ROS). This research introduces a charge‐ordered 3D Fe 3 S 4 ‐PUF composite integrated into a custom‐built photocatalytic tandem continuous‐flow cylinder reactor (TCCR) for antibiotic degradation. The system consistently achieves 100% tetracycline (TC) degradation efficiency with Fe 3 S 4 ‐PUF during 130 h of continuous operation, benefiting from the charge‐ordered 3D Fe 3 S 4 ‐PUF framework and the TCCR design. Mechanism investigations reveal that the abundant Lewis basic ≡SH site and light‐induced sustainable Fe 2+ /Fe 3+ redox cycling within Fe 3 S 4 facilitates the production of H 2 O 2 and ROS. Density functional theory (DFT) calculations indicate that Fe 2+ acts as an active site for capturing and activating O 2 , leading to either one‐electron (O 2 →O 2 •− →H 2 O 2 →•OH) or two‐electron transfer (O 2 →H 2 O 2 ) pathways. Meanwhile, photogenerated electron and the oxygen atoms in H 2 O 2 provide electrons to Fe 3+ , facilitating the reduction of Fe 3+ to Fe 2+ , thus elucidating the Fe 2+ /Fe 3+ redox cycling mechanism. Moreover, the 3D PUF structure enhances the mass transfer and pollutant‐ROS interactions. The continuous‐flow photocatalytic reaction validate the efficient antibiotic degradation of Fe 3 S 4 ‐PUF composite, suggesting its potential for implementation in large‐scale antibiotic wastewater treatment systems.
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