随着世界经济发展与工业进步，废气排放和水污染问题日益突出，世界上仍有许多国家、地区无法获得清洁、安全的水和空气，影响人类健康的大多数疾病都与水、空气污染有关。推进环境水、空气污染物的绿色控制及可持续低碳自然资源的高效利用，是发展节能减碳与减污降排事业的有效途径之一。高级氧化技术（Advanced Oxidation Process，AOPs）因能产生高氧活性的羟基自由基（OH?）（氧化还原电位～2.8 V），能快速分解几乎所有的绝大多数有机污染物或灭活病毒及细菌，受到世界范围内的广泛关注。电芬顿（Electro-Fenton，EF）作为一种新兴的绿色氧化技术，可电化学合成清洁的H₂O₂及活化生成强氧化性的OH?。然而，当前电芬顿技术仍存在低H₂O₂生产效率、复分解、低氧气传质效率以及采用液态电解质或昂贵的离子交换膜等技术瓶颈，严重制约了其进一步规模化生产与广泛应用。本项工作提出一种全新的固态EF反应策略，并以多孔性天然木材为载体，在腔壁表面构筑具有双网络聚合物-离子、水分子高效输运结构的木材准固态离子导体，与阳极、阴极流室构建固态电芬顿系统。通过引入空气、水，即可在阴极流室连续生成高浓度的H₂O₂，并能在室温条件下活化大量的OH? 持续高效矿化降解水体、气态有机污染物。

  刘德桃课题组受树木自然生长过程中水分子、离子运输机制启发，开发了一种木材腔壁微纳米表面操纵技术，由天然木材直接加工成了一种新颖的具有离子、水分子输运结构的木材准固态离子导体，同时还保存了天然木材独特的从上到下能够定向运输离子、水分子的微通道，并在腔壁表面形成了一种2D-双网络聚合物-离子功能结构，可高效输运O₂、H₂O及离子电荷，实现可持续的固态电芬顿反应机制，使其无论在空气、水流动过程中均可高效率生成H₂O₂及OH?。

  充分利用多孔性天然木材的结构优势，通过光聚合及冷冻盐析技术在木材腔壁表面构筑双网络聚合物-离子输运结构，制备木材准固态离子导体使其替代传统液态电解质和离子交换膜，利用其优异的离子电荷输运机制及连续贯穿的胞腔结构优势，以及阴极流室内部形成的高效稳定气-液-固三相界面，可持续稳定地电化学合成高浓度的H₂O₂及活化生成巨量的OH?。

 

  充分利用固态电芬顿策略可极大促进了H⁺、O₂的传质以及电子转移效率，相比传统电芬顿技术相同条件下H₂O₂产量增加了近6倍，且阳极氧化H₂O产生的O₂和H⁺亦可通过WSIC持续为阴极流室H₂O₂的2e电化学合成提供原料协同保障。在水流速为66.4 mL h^-1和空气通量为0.8 L min^-1时，可连续合成高浓度的H₂O₂（60min，高达499.0 mg L^-1浓度），且仅通入空气时可累积极高浓度的H₂O₂（120 min，4940 mg L^-1浓度）。

  通过FeOCl在宽pH区间内Fe³⁺/Fe²⁺优异的氧化还原循环效率，苯甲酸检测OH? 的激发峰强度提升近4倍，对高流速（341.0 mL h^-1）的酸性RhB溶液（10 mg L^-1）长周期实时去除率高达99.9%，中性环境下亦可达到96.8%，不仅如此，其还对其他难降解水体有机物如盐酸四环素(TH)和对硝基苯酚(PNP)等具有高效的分解能力；此外，室温条件下可持续矿化极为稳定的气相甲苯，对不同浓度甲苯均可矿化分解，生成H₂O和CO₂。

图4 高效分解水体、气态有机污染物能力分析

  课题组成员还通过后续VOCs净化验证，发现该器件也具备类似于空气净化器的功效，可高效净化气态有机污染物，不同的是该技术是采用气相电化学方法，而非当前主流的物理吸附、光催化等技术，且分解过程中仅仅是通过持续引入自然界中无处不在的水分子和空气来实现的，而不是昂贵的化工原料等产品。

  本论文提出的天然木材腔壁离子输运结构及其固态电芬顿策略具有低成本、高效率、可持续和绿色低碳的优势，为高效降解水体、气态有机污染物的高级氧化技术与方法提供了一个新的思路，兼具理论价值与应用潜力。在后续进一步分析认为：该新技术还具有在杀灭气溶胶病毒、病菌等有关呼吸健康、气态传染病防治领域具有非常重要的应用前景。

  2022年4月12日，该科研成果以Natural wood-derived solid ionic conductor for solid electro-Fenton strategy为题名获得Cell新晋高影响力期刊《Cell Reports Physical Science》在线发表。我院刘德桃老师为论文的通讯作者，硕士生崔结东为论文第一作者；澳门大学Hui Pan教授课题组为合作单位。其他参研人员李杨、刘超城、钱志云、Hui Pan均为本项工作做出了重要贡献，目前已申请多项发明专利。该项研究得到了广东省科技厅粤澳联合资助领域项目等资助，该项工作的部分工作内容目前已与深圳知名企业开展产学研合作研究。

  原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S266638642200131X

课题组简介：

  刘德桃课题组的研究致力于发现和探索自然界树木、草本植物等生长过程中独特的物质运输机制，从中获得灵感和启发，创新运用材料表面微尺度操纵技术，发展功能木材、纸、膜及其仿生纳米结构的宏量制备科学及工程技术，探索其对自然界可再生资源（如水分子、二氧化碳等）的高效捕获与转化机制，研究在低碳健康材料、水/空气净化、光学与噪声控制、固态电化学及湿-热电池系统等领域关键应用。

  欢迎广大优秀考生报考攻读该课题组研究生！

  招生信息：该课题组计划联合培养招生1-3名博士生、博士后，具体情况面议。