Synergistic Piezoelectric-Nanoscale Zero-Valent Iron Catalyst for Peroxyacetic Acid Activation: A Self-Driven Advanced Oxidation Process

催化作用 过氧乙酸 压电 单线态氧 化学 化学工程 材料科学 水处理 纳米技术 钛酸钡 羟基自由基 氧化还原 环境友好型 钛酸酯 激进的 天然矿物 钝化 试剂 光化学 无机化学 氧气 电子转移 环境修复 卤化 表面工程 能源消耗
作者
Chundi Zhou,Sichu Xing,Jun Ma,Minghao Sui
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:59 (41): 22285-22298 被引量:13
标识
DOI:10.1021/acs.est.5c08828
摘要

Conventional advanced oxidation processes (AOPs) that utilize iron-based catalysts encounter several limitations, including rapid deactivation and low electron transfer efficiency. Although piezoelectric materials have shown potential for mechanochemical energy conversion, their practical application is often hindered by the need for substantial external energy inputs. This requirement results in considerable energy consumption and waste. Herein, we innovatively designed a symbiotic self-driven nZVI@BTO catalyst through dual incorporation of nZVI within the barium titanate (BTO) lattice and its surface, achieving breakthrough synergy between piezoelectric activation and peracetic acid (PAA)-mediated oxidation. The nZVI@BTO/PAA system completely degraded sulfamethoxazole (SMX) within 10 min, exhibiting 12-fold enhancement in kobs compared to the nZVI/PAA system. The hydraulic vortex-induced piezoelectric polarization of nZVI@BTO generated a surface-enhanced built-in electric field (BIEF), creating a localized reducing microenvironment. This enhanced charge carrier separation and promoted the efficient regeneration of Fe2+, ensuring a sustained abundance of active Fe2+ sites on the catalyst surface. Surface Fe2+ sites enabled rapid PAA activation, generating hydroxyl radical (•OH), singlet oxygen (1O2), and acetylperoxy radical (CH3C(O)OO•). Our findings demonstrated the efficiency, stability (maintaining >80% SMX removal after 5 cycles), and practicality of the nZVI@BTO/PAA system for real-world applications. The nZVI@BTO/PAA system represented a sustainable strategy for AOPs, advancing the development of environmentally resilient water treatment technologies.
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