Kesterite‐Type Narrow Bandgap Piezoelectric Catalysts for Highly Efficient Piezocatalytic Fenton System

材料科学 锌黄锡矿 催化作用 压电 带隙 光电子学 纳米技术 复合材料 有机化学 化学 捷克先令
作者
Manqi Zhang,Kai Wang,Han Chen,Ming Zhang,Jitraporn Vongsvivut,Tianbao Dong,Lihong Liu,Shaobin Wang,Shaomin Liu
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
被引量:6
标识
DOI:10.1002/adfm.202412258
摘要

Abstract Piezocatalytic Fenton (PF) system emerges as a promising approach to wastewater treatment by leveraging piezocatalysis to enhance Fenton‐like reactions. However, conventional piezocatalysts encounter challenges because they often compromise catalytic properties in biased favor of superior piezoelectricity, resulting in sluggish catalytic kinetics. To tackle this trade‐off, here a novel class of kesterite‐type narrow bandgap piezoelectrics, Cu 2 XSnS 4 (CXTS, X = Zn, Ni, Co), is developed for PF reactions, which exhibit a unique combination of physicochemical attributes favorable for catalysis such as narrow bandgap (1.2–1.5 eV), high free charge density (1 × 10 18 cm −3 ), mobility, and redox activity while retaining excellent piezoelectricity (62–142 pm V −1 ). With the well‐balanced piezoelectric, semiconducting, and catalytic properties, CXTS‐based PF systems demonstrate outstanding performance for tetracycline degradation, delivering a notable reaction kinetics of 0.34 min −1 only with a minor H 2 O 2 dosage (1.2 m m ), outperforming most of the conventional Fenton‐like reactions requiring a large amount H 2 O 2 dosage by a factor up to 10. Such a remarkable performance is fulfilled by the simultaneously effective H 2 O 2 activation and in situ generation of reactive oxygen species from oxygen and water via piezocatalysis. Additionally, the distinctive hierarchical morphology consisting of 2D nanosheets enables easy crystal domain deformation to trigger the piezoelectric effect, thereby drastically reducing the mechanical energy input required to drive redox reactions. Rigorous testing has validated the viability and practical feasibility of this system. The study offers a new design strategy for highly efficient piezocatalysts in the PF systems, enabling a cost‐effective and sustainable water treatment approach.
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