近日，沐鸣關傑教授團隊在國際工程技術領域TOP期刊《Chemical Engineering Journal》（中科院一區，2021 IF 16.744）上發表了題為“Spent rather than pristine LiFePO4 cathode materials can catalytically activate sulfite for organic pollutants decontamination”的研究論文。該論文以沐鸣為第一單位，2019級碩士研究生王璞為第一作者✌🏽，關傑教授、郭耀廣副教授和華東師範大學王兆慧研究員為共同通訊作者🩶。
圖文摘要
本研究報道了廢棄動力電池磷酸鐵鋰材料可直接作為催化劑，用於活化亞硫酸鹽（S(IV)）催化去除水中有機汙染物🕋🛗。 研究表明🧑🏻🎄，廢棄磷酸鐵鋰（SLFP）相比純磷酸鐵鋰（PLFP），因其在充放電過程中產生鋰缺陷和氧空位🫀，有效活化亞硫酸鹽產生硫酸根自由基🙌🤚🏽、單線態氧和羥基自由基等氧化活性物種降解有機物。利用淬滅實驗和電子順磁共振（EPR）技術結合DFT理論計算揭示，溶液中氧氣和亞硫酸氫根會快速吸附在有缺陷的SLFP表面生產表面配合物中間體，然後表面配合物緩慢分解生成過一硫酸根，緊接著過一硫酸根通過自分解或被表面二價鐵活化分解生產活性氧化物種🕊，實現有機汙染物降解。
論文導讀
作者選擇雙酚S為模型汙染物開展效果評估實驗，研究發現SLFP/S(IV)體系在45 min內可以使得BPS的降解率達到80%（圖1a）💅🚴🏻♂️。同時發現，這種SLFP/S(IV)異相催化體系對亞甲基藍（MB）✵、羅丹明B（RhB）和雙酚A（BPA）等其它汙染物也具有較好的去除能力（圖1b）🚕。
圖1. BPS在不同體系的降解效果(a); SLFP/S(IV)對其它汙染物的降解效果(b)
通過X射線衍射技術（XRD）、電感耦合等離子體原子發射光譜技術（ICP-AES）🧘🏽♂️🧛🏽♀️、電子掃描顯微鏡（SEM）等手段驗證了SLFP材料存在的缺陷。通過X射線能譜（XPS）和厭氧實驗驗證了O2可能被吸附在SLFP表面與HSO3-反應🧑✈️💧，引發或促進反應。通過淬滅實驗和EPR技術（圖2），結合DFT理論計算🎺，揭示了溶液中O2和HSO3-會快速吸附在有缺陷的SLFP表面生產表面配合物中間體，然後表面配合物緩慢分解生成HSO5-🕵🏼♀️，緊接著HSO5-通過自分解或被表面二價鐵活化分解生產活性氧化物種去除有機汙染物的反應機理（圖3）🤌。
圖2 淬滅實驗(a)👆🏿；添加DMPO獲得的EPR譜(b)🤷🏻♀️；TEMP獲得的EPR譜(c)和(d)
圖3 DFT計算PLFP (111)和SLFP (111)表面對O2和HSO3-物種的吸附能(a)；DFT計算從HSO5−到生成SO4•−和•OH的能量變化曲線(b)🥶；PLFP的能帶結構(c)👨🏿✈️；SLFP的能帶結構(d)；PLFP的態密度(e)；SLFP的態密度(f)
通過循環催化實驗🧘🏿♂️🪖，證實了廢棄磷酸鐵鋰材料具有較好的穩定性和潛在環境應用價值（圖4）。本研究提出的SLFP/S(IV)異相催化體系將為大量報廢廉價SLFP電子廢物資源化應用於水汙染控製領域提供了新的思路😻。
圖4 四次循環降解BPS的降效果(a)✌🏿；直接拆解得到SLFP催化去除RhB的應用效果(b)