on style="white-space: normal; line-height: 1.75em; box-sizing: border-box;">论文DOI：10.1016/j.apcatb.2022.121215近日，大连理工大学柳丽芬教授课题组在Applied Catalysis B: Environmental（影响因子19.503）上发表了题为“A visible-light-driven photocatalytic fuel cell/peroxymonosulfate (PFC/PMS) system using blue TiO2 nanotube arrays (TNA) anode and Cu-Co-WO3 cathode for enhanced oxidation of organic pollutant and ammonium nitrogen in real seawater”的研究论文（DOI: 10.1016/j.apcatb.2022.121215）。本研究首次在可见光驱动光催化燃料电池中耦合活化过一硫酸盐，在PFC/PMS系统中实现了海水中难降解有机污染物黄连素（BC）和无机氮（NH4+-N）的同步、深度去除；开发了新型、多功能催化电极材料，明确了催化电极上（光）电催化-氯化和PMS-氯化耦合作用机制，揭示了传统高级氧化技术（AOPs）在海水污染控制中性能受限的原因，为光电化学控制污染保护海洋生态环境，提供了理论及技术支持。针对海水高盐、高氯的特性，研究开发了新的Cu-Co-WO3催化阴极和蓝色二氧化钛纳米管阵列TNA光阳极，构建了可见光驱动的PFC/PMS系统，通过电极及运行条件优化提升了对污染物的氧化能力及产电性能，实现了海水中（难降解）有机物和无机氮的同步、深度去除：在双光电极、2.5 mM PMS、外接500欧电阻时，黄连素和NH4+-N的去除率均达到~95%，出水符合海水养殖水排放标准，开路电压达0.57 V。该系统也可去除模拟海产养殖尾水中的有机物CODMn和无机氮。探讨了系统去除淡水和海水中的污染物的作用和耦合机制，证实了该系统处理高盐/高氯废水的应用潜力。海水养殖尾水中可能有抗生素等药物及无机氮成分，其高盐、高氯、低浓度/难降解有机污染物特性，是应用电化学技术具有潜力，但缺点是能耗高、副产物多。通过与光/电催化、PMS氧化等高级氧化技术耦合，有望有效地“扬长避短”、提升综合性能，针对性地强化海水中有机物及无机氮的同步去除。本研究以水产养殖中常用药物BC和无机氨氮为目标污染物，通过电极优化与PFC系统中的多技术的耦合与集成，扩展了PFC应用领域。▲Figure 1 (a) and (b) SEM images of Cu-Co-WO3 electrode and the catalyst (insert). (c) EDS mapping results of Cu-Co-WO3 electrode. (d) and (e) SEM images of blue TNA electrode and its physical picture (insert). (f) EDS results of blue TNA electrode.
通过简易的方法制备了Cu-Co-WO3催化阴极和蓝色TNA光阳极。优化后Cu-Co-WO3电极具有优良的导电性和光-电催化协同活化PMS能力，而TNA蓝色二氧化钛纳米管阵列电极可有效吸收利用可见光，系统产生稳定的光电流。▲Figure 2 (a) BC removal rates and efficiencies (insert) of the marine PFC/PMS system (double photoelectrodes) with different thicknesses of Cu-Co-WO3 cathode. (b) BC removal rates and (c) efficiencies of the marine PFC/PMS system (double photoelectrodes) under different operation conditions. (d) BC removal rates and efficiencies (insert) of the marine PFC/PMS system (double photoelectrodes) with different electrodes (e) BC removal rates and efficiencies (insert) of the marine PFC/PMS system with different illuminating conditions. (f) Power generation of the marine PFC/PMS system under different operating conditions. ([BC] = 10 mg L−1 in natural seawater, [PMS] = 0.5 mM, R = 500 Ω)
构建的适合处理海水的PFC/PMS系统，以蓝色TNA做光阳极、以催化层厚200 μm 的Cu-Co-WO3电极为光催化阴级，外接500 Ω电阻、加0.5 mM PMS，13分即可去除>90%BC，产电（0.17 V)146.0 mW m−3。▲Figure 3 (a) BC and NH4+-N removal rates of the marine PFC/PMS system with different concentrations of PMS. (b) Full wavelength spectrum of the treated seawater (under optimized conditions) and the remained inorganic nitrogen. (c) Reusability of the optimized marine PFC/PMS in BC and NH4+-N removal. (d) BC and NH4+-N removal rates and BC removal efficiencies (the insert) of the optimized PFC/PMS system in fresh-water and seawater environment.
当PMS为2.5 mM时，该系统可在30 min内同时去除海水中94.18%的BC和95.73%的NH4+-N（初始浓度均为10 mg L−1），使出水达到行业排放标准，OCV达0.57 V。▲Figure 4 Mechanisms of the PFC/PMS system in fresh-water environment (left) and marine environment (right).
通过自由基捕获及猝灭实验，提出了光/电催化-氯化和PMS-氯化耦合作用机制，通过与淡水环境中的作用机理对比，揭示了该高级氧化技术高于常见海水污染控制技术的原因和机理。▲Figure 5 Performance of the optimized PFC/PMS system in treating simulated mariculture wastewater with natural carbon and nitrogen sources.
该PFC/PMS系统比海水养殖废水处理中常用的电化学氯化系统更加高效、节能，可去除模拟养殖尾水中CODMn（43.43%）和无机氮（94.35%），具有实际应用潜力。本研究开发了用于海水污染控制的新型PFC/PMS系统。该系统在可见光和PMS辅助下利用自生电场，加强和实现了对海水中难降解污染物和无机氮的同步、深度去除。提出了一种光/电催化-氯化与PMS-氯化协同的耦合作用机制，揭示了传统高级氧化技术应用于高盐、高氯海水污染控制时的固有瓶颈。该工作为海水养殖废水的深度处理提供了新思路，也为电化学技术在海水污染控制中的应用提供了理论和实验基础。柳丽芬：大连理工大学海洋科学与技术学院教授、博士生导师、硕士生导师。IWA会员、中国微纳米协会会员、中国化学会环境化学分会会员、辽宁环境科学学会会员。Journal of Membrane Science、Applied catalysis B Environmental, Chemical Engineering Journal、Environmental Science and Technology、Water Research, Desalination等多个期刊审稿人。研究方向：环境生态污染监测、控制与修复，包括生物-物化-生态工程、环境电化学、高级氧化耦合生物电化学、环境纳米技术，污染控制材料、膜电极等。
孙嘉琦：大连理工大学环境学院博士生，研究方向为水污染控制及资源化。在读期间以第一作者在Applied Catalysis B: Environmental、Journal of Hazardous Materials等期刊发表SCI论文4篇、EI论文1篇。
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0926337322001552
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