随着工业发展，大量有机污染物进入水体，对生态环境和人类健康构成严重威胁。传统水处理技术面对复杂有机污染物时，常存在效率低、成本高、易产生二次污染等问题。电芬顿技术作为一种高级氧化技术，能通过产生强氧化性的羟基自由基高效降解有机物，但传统电极限制了其性能发挥。自支撑膜电极凭借独特结构与优异性能，能高效促进电芬顿反应，无需额外添加大量化学试剂，就可快速、彻底降解有机污染物，在环保领域展现出巨大应用潜力，成为当下水处理技术研究的热点方向。

近日，辽宁科技大学陈星星教授与窦金孝副教授，在国际知名期刊ACS Applied Materials & Interfaces上发表题为“Facilitating Efficient Electro-Fenton Degradation Using a Free Standing Membrane Electrode with Atomic-Level Fe Dispersion Fabricated by Microwave-Assisted Electrospinning”的文章，该工作的第一作者为在读硕士生何佳鑫。作者采用静电纺丝技术，成功制备出一种富含原子级Fe的自支撑膜电极(FeBNC/CFM)，并把该电极应用于电芬顿体系，以实现对染料废水的高效降解。

图1：FeBNC/CFM膜电极的制备过程和形貌组成结构。

研究采用微波辅助法合成金属有机框架材料MIL-101(Fe)，并将其作为静电纺丝的前驱体。纺丝过程中，引入六方氮化硼作为电子调控剂，实现对Fe原子的精准修饰。同时，运用三段温控工艺，即依次实施预热、预氧化和碳化处理步骤，最终成功合成富含原子级Fe的原子级柔性自支撑膜电极。

图2：(a) FeBNC/CFM和FeC/CFM的Fe 2p高分辨率XPS光谱。FeBNC/CFM的(b) B 1s和(c) N 1s的高分辨率XPS光谱。(d) Fe K边XANES光谱。(e) R空间中k2加权Fe K边EXAFS光谱的傅立叶变换。(f) FeBNC/CFM的Fe K边缘处R空间中的EXAFS拟合曲线。(g) FeBNC/CFM、(h) Fe箔和(i) Fe3O4中Fe的WT-EXAFS 图。

运用 XPS、XANES 和 FT-EXAFS 对膜电极系统分析，证实 Fe 以原子级分散存在。H-BN 引入构建了 Fe–N 和 Fe–B 键配位环境，有效调控金属中心电子结构与反应活性，提升了降解性能。其中，与吡咯 N 配位的Fe位点d带中心低，利于Fe–OOH中间体形成，增强EF反应催化活性；Fe–B位点促进O2桥式吸附与H₂O₂原位分解，将 O₂及含氧中间体吸附模式从“末端型”转为“桥接型”，从而优化 Fe–OOH 的结合强度，推动H₂O₂生成并分解为•OH。

图3：FeBNC/CFM膜电极制备条件对RhB降解效率的影响。(a)微波合成过程中的反应时间，(b)微波合成温度，(c)MIL-101(Fe)与h-BN的质量比，以及(d)碳化温度。

图4：FeBNC/CFM膜电极系统中反应溶液条件对RhB降解的影响。(a) FeSO4·7H2O 浓度，(b) 电流强度，(c) 初始RhB浓度，(d) 初始溶液 pH。

研究从材料制备到反应运行的全流程参数展开了系统优化。在电芬顿降解罗丹明 B（RhB）的实际应用中，经优化，外加 Fe2+浓度0.2 mM、电流75 mA、RhB初始浓度40 mg/L、溶液初始pH值3时，电极催化性能充分释放，达到5分钟降解90.6%，10 min降解98.6% RhB的优异表现。

图 5. RhB 分子的(a)优化分子构型、(b) ESP 图谱、(c) HOMO 和 (d) LUMO。 (e) FeBNC/CFM 电极对 RhB 的拟议降解途径。

为了探明RhB分子降解过程，研究借助DFT计算RhB的前线分子轨道（HOMO、LUMO）、静电势分布（ESP）及福井函数，精准预测了电芬顿体系中活性氧物种（ROS）优先攻击的活性位点。同时，用液相色谱-质谱联用技术（LC-MS）检测到11种降解中间产物。最终清晰呈现出RhB从大分子断裂、开环到最终矿化的完整路径，从分子层面验证了证实该电极体系的高效性。

这项研究融合微波合成、静电纺丝与原子级调控技术，成功制备出高性能的 FeBNC/CFM柔性自支撑膜电极。该电极性能卓越，兼具出色柔性、高效催化能力与稳定性，为设计高性能、稳定的电fenton阴极提供了一种新的策略，在处理有机废水等场景中展现出广阔的应用潜力。

论文DOI：10.1021/acsami.5c24349

人物简介：

陈星星，辽宁科技大学教授、博士生导师、自然科学博士，辽宁省“百千万人才工程”百人层次，鞍山市杰出科技工作者、鞍山市领军人才。本科和硕士分别毕业于湖南大学和丹麦技术大学,曾在德国柏林国家联邦环保总局水分析实验室工作, 2008年7月获德国波鸿鲁尔大学自然科学博士学位, 并继续留在德国波鸿鲁尔大学从事研究工作。2014年底回到家乡鞍山的辽宁科技大学任教。主持在研或结题国家自然科学基金等项目；发表SCI科研论文近百篇，获批7项国家发明专利；荣获4次辽宁省自然科学学术成果奖（一等奖2次）；指导学生参加各类国家A类和省级赛事并荣获辽宁省“优秀指导教师”称号3次，指导的研究生获辽宁省“优秀硕士论文”1人次、辽宁省优秀毕业生1人次、国家奖学金6人次、宝钢奖学金1人次。研究兴趣为新功能材料和高附加值煤基炭材料的设计和在电化学能源转换存储系统(金属空气电池、超级电容器，光电催化水解等）中的应用，以及扫描电化学显微镜的基础和应用研究。

窦金孝，辽宁科技大学副教授、博士生导师、工学博士，辽宁省“百千万人才”万人层次，辽宁科技大学青年拔尖人才，辽宁省化工学会煤化工专业委员会委员，清洁能源与燃料化学研究所副所长。辽宁科技大学优秀青年科技工作者，辽宁科技大学优秀毕业论文指导教师。主持或参与国家、省部级项目20余项，企业攻关项目5项，教育部产学合作协同育人项目1项。在EST、CEJ、Fuel、SPT等国际知名期刊上先后发表SCI论文50余篇。申请和授权发明专利10件。荣获辽宁省自然科学三等奖，辽宁省自然科学学术成果奖二等奖，鞍山市创新创业三等奖。

何佳鑫，硕士研究生。主要研究方向为环境化学，已在J. Environ. Manage.、ACS Appl. Mater. Interf.、J. Water Process Eng.、Colloid. Surface. A 发表科研论文4篇。