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Nature Communications volume 13, Número do artigo: 4982 (2022) Citar este artigo

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Milhões de famílias em todo o mundo permanecem vulneráveis ​​à escassez de água e não têm acesso à água potável. Processos avançados de oxidação (AOPs) são uma maneira eficaz de purificação de água com espécies reativas de oxigênio (ROSs) qualificadas, enquanto são impedidos pelo processo tedioso e de alto custo na entrada de reagente consumível, produção de ROSs e pré-tratamento de suporte eletrólito. Aqui, acoplamos a produção de H2O2 assistida por luz solar a partir de reações de água e foto-Fenton em um sistema autociclável usando uma folha artificial, alcançando uma taxa de produção de H2O2 não assistida de 0,77 μmol/(min·cm2) sob 1 Sun AM 1,5 iluminação. Além disso, uma grande folha artificial (70 cm2) foi usada para um sistema não assistido de peróxido de hidrogênio ativado por bicarbonato (BAP) movido a energia solar com catalisadores reciclados para purificação de águas residuais em tempo real com requisitos apenas de água, oxigênio e luz solar. Esta demonstração destaca a viabilidade e escalabilidade da tecnologia fotoeletroquímica para aplicações descentralizadas de governança ambiental, desde bancadas de laboratório até a indústria.

Processos de oxidação avançados (AOPs) são uma abordagem reconhecida que pode efetivamente tratar várias poluições orgânicas em soluções aquosas porque as espécies reativas de oxigênio (ROSs) geradas têm fortes capacidades de oxidação para mineralizar as moléculas orgânicas1. A reação de Fenton é um dos POAs mais representativos, podendo gerar rapidamente radicais hidroxila (·OH) em alta concentração, sendo, portanto, amplamente adotada na engenharia de tratamento de efluentes2. No entanto, a reação de Fenton é um processo irreversível que requer o fornecimento contínuo de vários reagentes químicos, como H2O2, sal de ferro, ácido/álcali e outros, o que aumenta em mais de uma vez os custos de todo o processo de tratamento de efluentes3. A fotocatálise heterogênea sobre semicondutores pode gerar uma gama de ROSs por processos redox fotoinduzidos, que são considerados POAs verdes e sustentáveis ​​com custo acessível4. Nas últimas décadas, numerosos esforços foram dedicados à degradação fotocatalítica da poluição orgânica, desenvolvendo ou projetando vários fotocatalisadores e sistemas fotocatalíticos1,5. No entanto, a geração direta de EROs por processos redox fotoinduzidos em soluções aquosas é profundamente restrita pela recombinação rápida de pares elétron/buraco fotoinduzidos e altas barreiras termodinâmicas de geração de radicais (por exemplo, ·O2− a −0,33 V e ·OH a 1,99 V vs. eletrodo de hidrogênio normal, NHE), enquanto a fotocatálise combinada com reação de Fenton, chamada reação de foto-Fenton, também requer o fornecimento de H2O26,7. Portanto, há uma grande necessidade de encontrar POAs realmente eficientes, de baixo custo e sustentáveis.

Nos últimos anos, descobriu-se que o bicarbonato (HCO3−) pode não apenas reagir com H2O2 para formar HCO4− com alta reatividade, mas também atuar como um auxiliar para a evolução de H2O2 oxidativo de água sob condição fotoeletroquímica (PEC), através de uma reação reversível como segue8,9:

A reação reversível acima oferece a possibilidade de geração in situ e decomposição de H2O2 em uma solução aquosa contendo HCO3− sob iluminação solar10,11,12. Além disso, foi relatado que a coexistência de HCO4− e H2O2 facilita a formação de várias EROs (·O2−, ·OH, CO3•− et al.) pela ativação de íons Co, Cu ou Mn13,14,15. A correlação entre HCO3−, H2O2, HCO4− e espécies de radicais livres nos inspira a projetar um sistema de POA autocicláveis ​​com alta eficiência e custo acessível16,17,18.

Aqui, propomos um sistema semelhante ao Fenton autociclável baseado na folha artificial deliberadamente projetada, realizando o sistema de reação sustentável para o tratamento de águas residuais (Fig. 1a). Primeiro, a folha artificial não assistida motivada por energia solar composta por um fotoeletrodo de SnO2-x/BiVO4/WO3 e um catalisador de átomo único Mo modificado com poli tetrafluoretileno (PTFE)/eletrodo de difusão de gás revestido com óxido de grafeno levemente reduzido (PTFE@Mo-SACs /mrG-GDE) cumpre a produção eficiente de H2O2 em um eletrólito contendo bicarbonato com uma taxa de produção de 0,77 μmol/(min cm2) sob iluminação AM 1,5 G, correspondendo a uma eficiência solar livre de peróxido de hidrogênio ( SHyE) de 1,46%. Em segundo lugar, o H2O2 gerado pode ser imediatamente ativado in situ em ·OH, ·O2− e 1O2 principais et al. através da catálise de espécies de Mn(II) no eletrólito de bicarbonato, e as espécies de Mn(II) são correspondentemente oxidadas a espécies de Mn(IV) de alta valência. Em terceiro lugar, as espécies de Mn podem ser recicladas reduzindo as espécies de Mn(IV) a Mn(II) no cátodo (Fig. 1a). Como resultado, o processo de autociclagem com requisitos apenas de água, oxigênio e luz solar demonstra estabilidade de longo prazo por mais de um mês para a remoção de vários poluentes orgânicos.