第一作者：Chenwei Ma
通讯作者：车慧楠 副教授
通讯单位：河海大学环境学院
DOI:10.1016/j.jcis.2024.09.118
构建光催化原位 Fenton 系统（PISFs）是解决传统 Fenton 反应中需要持续添加过氧化氢（H2O2）以及 H2O2 激活羟基自由基生成效率低等问题的一种有前途的策略。在本研究中，我们利用蒽醌改性氮化碳（AQ-C3N4）构建了一种光催化原位 Fenton 系统，用于高效降解污染物。由此产生的 AQ-C3N4 不仅增强了 H2O2 的生成，还增加了羟基自由基（-OH）的生成。实验结果表明，在可见光条件下，AQ-C3N4-PISFs 降解 2,4-二氯苯酚（2,4-DCP）的表观速率常数为 0.145 min-1，是 C3N4 的 2.74 倍。密度泛函理论（DFT）计算表明，AQ 修饰促进了电子-空穴分离，同时增加了 O2 的吸附能。基于 Hirshfeld Partition 的独立梯度模型（IGM）分析表明，AQ-C3N4 与 2,4-DCP 之间的范德华相互作用促进了降解过程。这项工作为克服传统 Fenton 系统中存在的 H2O2 持续添加和 -OH 利用率低的问题提供了新思路。
Fig. 1. (a) The detailed synthesis diagrams of AQ-C3N4 and (b) XRD patterns. (c) FTIR spectroscopy and (d) 13C NMR spectra of C3N4 and AQ-C3N4. (e-g) High-resolution XPS spectra of C 1s, N 1s, O 1s of C3N4 and AQ-C3N4.
Fig. 2. (a) H2O2 production rate of as-prepared samples. (b) Activity of AQ-C3N4 to produce photocatalytic H2O2 under various conditions (ND means not detected). (c) ESR spectra of DMPO-⋅O2− for C3N4 and AQ-C3N4. (d) C3N4 and (e) AQ-C3N4 measured on RDE at different rotating speeds. (f) Koutecky-Levich plots of C3N4 and AQ-C3N4.
Fig. 3. (a) The photocatalytic decomposition curves of 2,4-DCP with C3N4 and AQ-C3N4 under visible light irradiation. (b) The first-order reaction kinetic constants of 2,4-DCP degradation. (c) Decomposition curves of 2,4-DCP on AQ-C3N4 using the free radical scavenger. (d-e) Intensity of liquid fluorescence produced by AQ-C3N4 under different conditions of visible light irradiation. (f) Plot of hydroxyl radical yield of AQ-C3N4 during visible light irradiation.
Fig. 4. (a) UV–vis DRS (inset: Tauc plots of as-prepared catalysts) of C3N4 and AQ-C3N4. (b-c) Mott-Schottky plots collected at different frequencies of C3N4 and AQ-C3N4. (d) Corresponding band structures of C3N4 and AQ-C3N4. (e) EIS and (f) PCR curves of C3N4 and AQ-C3N4.
Fig. 5. (a and b) DOS of C3N4 and AQ-C3N4. (c) Electronic structure of the optimized HOMO and LUMO of C3N4 and AQ-C3N4. (d) Electron-hole distribution of O2 adsorbed C3N4 and AQ-C3N4 in different excited states (yellow isosurface: electron distribution and blue isosurface: hole distribution). (For interpretation of the references to colour in this figure legend, the reader is referred to the web version of this article.)
Fig. 6. (a) Possible degradation pathways of 2,4-DCP. (b-c) The IGMH analysis of AQ-C3N4.
总之，本研究介绍了以尿素为前体、蒽醌为关键原料合成的 AQ-C3N4 催化剂的开发过程。这种催化剂是构建 PISFs-AQ-C3N4 系统的核心成分，该系统对 2,4-DCP 进行了高效降解。研究发现，AQ-C3N4 催化剂能显著提高 H2O2 的产生，并增加羟基自由基的生成。实验结果表明，在可见光下，AQ-C3N4-PISFs 系统对 2,4-DCP 的降解速率常数为 0.145 min-1，比 C3N4 高 274 %。此外，DFT 计算表明，用 AQ 修饰可促进电子-空穴分离，增加氧气吸收能量。与传统的芬顿反应体系相比，PISFs-AQ-C3N4 体系解决了 H2O2 持续添加和 -OH 利用率低等问题。此外，AQ-C3N4-PISF 系统利用羟基自由基（-OH）的强氧化能力，可广泛用于降解各种有机污染物，包括染料、药品和工业溶剂 。本研究为 Fenton 系统中的污染物降解提供了一种新策略。
Chenwei Ma, Quanxi Xiao, Yufei Wang, Yundi Zhou, Zihe Yang, Huinan Che, Efficient photocatalytic in-situ Fenton degradation of 2,4-dichlorophenol via anthraquinone-modified carbon nitride for 2e− oxygen reduction, Journal of Colloid and Interface Science, 2025, https://doi.org/10.1016/j.jcis.2024.09.118
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