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利用清洁且随机能源解决抗生素水污染问题，是实现能源与环境可持续发展的有效途径。好氧生物技术曝气池中的水波能往往被忽视，造成严重的能源浪费。金属有机骨架在能源利用和环境保护领域得到了广泛的探索。然而，光催化效率受到电子和空穴复合的限制。
鉴于此，广西大学王双飞院士团队聂双喜教授课题组开发了一种冠状摩擦纳米发电机（C-TENG）以提高降解抗生素的光催化效率。本研究制备了铁基金属有机骨架MIL-100(Fe)用作光催化材料，设计的C-TENG不仅可以从多个角度收集水波能量，还可以产生外部电场提高四环素的去除效率。在加速度为5 m/s2的水波驱动下，该系统的四环素去除效率在80 min内达到95.89%。结合电子自旋共振（ESR）分析，进一步证实C-TENG产生的电场可以达到更高的电子和空穴分离效率，从而提高四环素的去除效率。该研究为提高光催化处理抗生素污染提供了一种有前景的方法，对未来抗生素降解的研究具有重要的指导意义。相关成果以题为“Triboelectric nanogenerators for enhanced degradation of antibiotics via external electric field”发表在国际著名期刊Nano Energy上。广西大学为本论文的第一完成单位，2019级硕士研究生莫济龙为第一作者，聂双喜教授为通讯作者。
自供电光催化降解四环素过程
自供电光催化降解抗生素废水系统由曝气池，C-TENG，整流电路和光催化反应池组成。C-TENG收集曝气池中的水波能量，产生的电能用于增强MIL-100(Fe)对抗生素的降解。
图1 四环素自供电光催化降解过程
MIL-100(Fe)的制备及表征
采用溶剂热法制备MIL-100(Fe)。SEM表明，MIL-100(Fe)中包含许多不同直径的小颗粒。XRD，FTIR和XPS光谱的结果与理论和相关文献一致，表明MIL-100(Fe)制备成功。
图2 MIL-100(Fe)材料的制备和表征
C-TENG的输出性能
由于C-TENG的结构高度对称，电学性能具有高度的对称性，因此可以实现水波能多角度的有效转换。在1×10 7Ω的外部电阻下获得最大瞬时峰值功率密度，约为15 mW/m 3。4.7 μF的电容器可在2分钟内充电至2 V，并且C-TENG可用作电化学的独立电源。
图3 C-TENG的输出性能
通过水波驱动的C-TENG去除四环素的自供电光催化系统
在C-TENG提供电场时，60 min内四环素去除率达到92.72%。而没有C-TENG驱动的情况下，去除效率仅为86.37%。同时，系统在80分钟内去除效率达到95.89%。C-TENG对四环素的去除率在80分钟后略有增加。
图4 水波驱动的C-TENG去除四环素的自供电系统。
摩擦电助力抗生素废水高效降解的机理
在自供电系统中，C-TENG提供的外部电场有助于分离电子-空穴对并促进电荷转移到光催化剂表面。在电场驱动下5分钟内，·O 2 -产生的自旋总数是没有C-TENG的3倍，自供电光催化过程中·O 2 -，·OH和h +信号增强。自供电系统表现出时间更短，去除效率更高的巨大优势。此外，由于C-TENG的存在，废水中水波能量的收集被用于进一步降低废水处理成本。
图5 自供电光催化增强机理
小结：这项工作展示了一种高效的自供电光催化系统，可提高四环素的去除效率。80 min内该系统的四环素去除效率达到95.89%。此外，系统地解释了自供电光催化系统的工作机理。外电场的存在可以产生更多的·O 2 -，·OH和h +，它们在自供电光催化反应中起重要作用。该系统利用抗生素废水处理过程中浪费的水波能量，实现四环素的同时吸收和降解。这项工作提出了一种高效、环保、低成本的抗生素降解方法，为净化水提供了一种有效的方法。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106842
来源：高分子科学前沿
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