近期，太原理工大学新型碳材料研究院的刘旭光教授团队通过设计了一种高性能石墨烯复合气凝胶颗粒电极，具有卓越的苯酚降解效果和持久的工作能力。采用“可控热解策略”实现了c-MOF/rGA表面原位锚定c-MOF@NiO异质结构。c-MOF@NiO/rGA颗粒电极组成的三维电催化降解体系在20 min内苯酚降解率达到100%，降解速率常数为0.1323 min^-1，连续循环50次后苯酚降解率保持95.27%。材料制备流程如图1所示。

图1. c-MOF@NiO/rGA制备示意图

在我们之前的研究中，我们已经利用“金属核心层可以刺激碳壳层的催化活性，产生电子将H₂O₂转化为•OH”这一理论创建了高效的3D原位自电解系统。然而由于MOF结构固有的低稳定性，当Ni₃(HITP)₂作为碳基颗粒电极的复合组分应用于实际降解体系时，其循环稳定性必然受到限制。鉴于此，目前研究人员多采用热解的方式对MOF结构进行碳化，以提高体系的稳定性然而，而MOF金属节点的完全破坏导致催化活性位点的缺失。因此，实现MOF/碳基复合颗粒电极材料在高降解效率和优异循环稳定性之间的平衡已成为迫切需要解决的问题。在本研究中，通过控制热解温度，在c-MOF/rGA表面原位生长c-MOF@NiO异质结构。最终利用c-MOF@NiO/还原氧化石墨烯基复合气凝胶构建了持续高效的三维原位自催化体系。该三维降解系统利用c-MOF@NiO异质结构和Ni–N₂O₂四齿配位键高选择性原位生成H₂O₂。随后，通过被激活的石墨壳层生成的1e^-，将H₂O₂原位转化为•OH。密度泛函理论计算表明，c-MOF@NiO异质结构表现出最有利的ΔG_OOH*，有效促进了2e^- ORR过程，有利于H₂O₂的生成。同时，热处理过程中产生的结构缺陷导致体系生成更多的O₂^•-。缺陷诱导的O₂^•-和•OH的生成共同促进了苯酚的矿化过程。同时，c-MOF@NiO异质结构的引入也进一步提高了c-MOF的结构稳定性，进而在循环实验中表现出超长效工作能力。颗粒电极对焦化废水也表现出良好的实际处理能力。本研究为焦化废水的深度处理和三维电极的实用化工艺提供了强有力的动力。

图2. 降解机理图

这一成果发表在国际顶级期刊Applied Catalysis B: Environmental and Energy (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0926337324012256)上，我院高韶君博士研究生为该工作的第一作者，刘旭光教授和刘伟峰副教授为通讯作者。

文章DOI：https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2024.124911