高級(jí)氧化工藝(AOPs)是一類有效的水凈化處理方法，它將綠色氧化劑(如H₂O₂)與紫外線(UV)、臭氧(O₃)或亞鐵離子(Fe²⁺，通常來自FeSO₄)結(jié)合，以產(chǎn)生高活性的?OH。作為一種高效的氧化劑，?OH能夠去除許多微生物和有機(jī)污染物。

在高級(jí)氧化技術(shù)中，H₂O₂與UV(UV/H₂O₂)的結(jié)合在廢水處理過程中可以消滅有害微生物，并且不產(chǎn)生潛在的有害離子作為副產(chǎn)品。然而，UV/H₂O₂過程也存在一定的缺陷，因?yàn)镠₂O₂本身具有較差的紫外線吸收能力，并且不能簡(jiǎn)單地通過增加H₂O₂濃度來解決，因?yàn)檫^量的H₂O₂可以與?OH重新結(jié)合形成水。因此，迫切需要對(duì)高級(jí)氧化工藝進(jìn)行改進(jìn)，以提高廢水處理的效率。

基于此，斯坦福大學(xué)鄭曉琳課題組報(bào)道了一種新型多功能光催化劑，用于提高UV/H₂O₂過程中?OH產(chǎn)生速率。結(jié)果表明，該光催化劑結(jié)合了硅納米線比表面積大、光吸收特性好等優(yōu)點(diǎn)。

與空白H₂O₂溶液樣品相比，加入GO/Ni: FeOOH/SiNWs光催化劑將?OH的產(chǎn)量提高了5.7倍，并且將照射吸收光譜擴(kuò)展到包括紫外線和可見光。在250 nm (7 mW cm^?2)紫外光照射30分鐘后，100 mM H₂O₂中產(chǎn)生的?OH濃度達(dá)到3.32 μM (0.332%)。

此外，GO/Ni: FeOOH/SiNW光催化劑(在5 mM H₂O₂溶液中)經(jīng)250 nm紫外光照射60 分鐘，可將50μM MB降解至其初始濃度的1.5%；在100 mM H₂O₂溶液中，經(jīng)24小時(shí)紫外光照射，可將500 nM PS粒子的粒徑減小至400 nm。

研究人員研究了GO/Ni: FeOOH/SiNWs提高提高UV/H₂O₂過程中?OH產(chǎn)率的機(jī)制：在GO/Ni: FeOOH/SiNWs中，當(dāng)不同材料相互接觸時(shí)，由于功函數(shù)的不同，它們會(huì)形成內(nèi)建電場(chǎng)。這種內(nèi)建電場(chǎng)有利于電子與GO、空穴與Ni: FeOOH的分離，從而降低了產(chǎn)生的光生電荷復(fù)合的可能性。

具體而言，在光照下，GO表面的電子與O₂結(jié)合形成?O^2–，而Ni: FeOOH表面的空穴與H₂O₂反應(yīng)形成h⁺和O₂，生成的?O^2–可以與Fe²⁺反應(yīng)生成Fe³⁺和H₂O₂，?O^2–可以與水(H₂O)、氫氧根離子(OH^–)或質(zhì)子(h⁺)反應(yīng)生成額外的?OH。

除了?OH之外，生成的?O^2–也是降解有機(jī)染料的有效氧化劑。此外，Ni: FeOOH中的Fe³⁺誘導(dǎo)光-Fenton反應(yīng)發(fā)生，促進(jìn)了更多?OH的產(chǎn)生。總之，這些結(jié)果表明，多功能GO/Ni: FeOOH/SiNW光催化劑可以大大提高UV/H₂O₂體系中?OH的產(chǎn)生，這也顯示出其在廢水處理和塑料降解方面的應(yīng)用潛力。

Enhanced H₂O₂ Upcycling into Hydroxyl Radicals with GO/Ni:FeOOH-Coated Silicon Nanowire Photocatalysts for Wastewater Treatment. Nano Letters, 2023. DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c00696