水体环境中有害化合物的积累超出了生态系统的自降解能力，这对水生态造成重大的修复挑战。电化学技术由于易于自动化且适用于分布式系统集成等特性受到了相关研究学者的青睐。因此，在既定的配置和设计理念下保持电极材料的长期使用寿命是电催化工艺研发的重点，特别是对于在恶劣条件下运行的基于铁功能化阴极的非均相电芬顿 (EF) 工艺。
为此，清华大学深圳国际研究生院张正华课题组开发了一种有效且通用的电泳沉积封装工程策略，合理设计并构建由超薄碳层封装的分层复合阴极平台（FeOCl/CC@rGO）。电化学表征结果表明，碳层优异的2电子ORR选择性可以有效消除传统复合阴极制备过程中由于空间位阻效应造成的碳活性位点损失，恢复其原位生产H2O2性能。同时一系列控制对照实验表明该电极可借助电子穿透效应赋予碳外壳芬顿催化功能，阻断反应介质对活性金属的侵蚀破坏，打破非均相电芬顿工艺所面临的活性-稳定性权衡难题。此外，研究人员结合周期性密度泛函理论（DFT）和实验分析建立了电子穿透效应触发最外层rGO表面H2O2活化的潜在分子机制，rGO壳表面富集的电子来源于FeOCl中的低价Fe(Ⅱ)位点，同时这些电子向 H2O2的定向转移受 rGO 表面氧基团的种类和丰度共同调节。该研究成果成功将“铠甲催化”概念渗透至水环境修复领域，为推动电化学高性能电极材料的理性设计提供理论指导和新思路。
图1. 封装阴极材料的合成和微结构表征
图2. rGO表面性质与阴极活性构效关系的DFT理论计算
相关研究成果以“克服非均相电芬顿催化中的活性-稳定性权衡：将碳布支撑的氧基氯化铁封装在石墨层中”（Overcoming the Activity-Stability Trade-Off in Heterogeneous Electro-Fenton Catalysis: Encapsulating Carbon Cloth-Supported Iron Oxychloride within Graphitic Layers）为题，在线发表在国际期刊《美国化学会∙催化》（ACS Catalysis）上。该论文第一作者为清华大学深圳国际研究生院2021级博士后崔乐乐，通讯作者为清华大学深圳国际研究生院副教授张正华。该研究得到了国家自然科学基金项目、深圳市基础研究计划项目等项目的资助。
论文链接：
https://doi.org/10.1021/acscatal.2c03571
文：崔乐乐、张正华
图：崔乐乐
编辑：戴雨静
封面设计：申巍
审核：林洲璐
