通讯单位：齐齐哈尔大学中国化学与化学工程学院&国家市场监管工业大麻技术创新中心；国家市场监管工业大麻技术创新中心https://doi.org/10.1016/j.jece.2022.108453
通过在Ce-PbO2引入FeTiO3界面层的Ti/FeTiO3/Ce-PbO2(TFCP)电催化剂具有优异的电催化性能，在120 min内左氧氟沙星(LEVO)的降解效率高达95%，COD去除效率为79%。其中，·OH在降解过程中其主要作用。TFCP具有较高的平均电流效率，瞬时电流效率以及较低的电化学能耗，并且该电极具有优异的可重复利用性以及对其他抗生素和染料具有广泛适用性。总之，TFCP电极在有机污染物降解方面具有广阔的应用前景。同时也为复合电极的发展提供了新的途径。
近几十年来，由于抗生素在全世界范围内的滥用和无节制的生产，抗生素被排放到环境当中，造成了严重的水体污染，成为主要的环境问题。目前，科研工作者已经通过生物降解、絮凝、吸附和化学氧化法等技术去除抗生素。然而，上述方法都存在一定缺陷。其中，电催化氧化技术由于其氧化效率高、易于控制、环境相容性好、集中应用等优点，被认为是一种很有前景的有毒或难降解有机污染物处理技术。通常，电化学氧化的效率受几个因素的影响，其中最重要的是电极材料。因此，开发一种具有高催化活性和稳定性的新型电极材料具有重要意义。PbO2显示出高OEP、优异的催化性能、优异的导电性、强的耐腐蚀性和低成本的优势，但是由于其相对较大的界面电阻、膜不稳定性和低电流效率严重阻碍其应用。大量研究工作表明掺杂可以有效提高PbO2电极的电催化活性和稳定性。在该课题组先前的研究报道的基础上，成功制备了FeTiO3催化剂。考虑到FeTiO3 具有高稳定性，并常用于高级氧化去除污染物，因此，该课题组通过在Ti基体和PbO2之间构建FeTiO3中间层，克服了PbO2催化剂的缺点，提高电极稳定性。本研究中该课题组通过浸渍热解法和电沉积法成功之了TFCP电极。首先，在Ti基底上构建具有泥裂结构的FeTiO3催化剂，然后进一步电沉积Ce-PbO2，形成致密多层结构的电极(图1)，能够有效延长电极使用寿命。在研究过程中，该课题组对催化剂的制备和降解参数进行优化，对有机污染物进行降解测试和稳定性测试。结果表明，该电催化体系对LEVO模拟污染物(30 mg·L-1)的降解效率高达95%(图4，图5)，同时显示出COD去除效率为79%。在稳定性测试中，循环10次前后的降解效率几乎不变。该课题组还进行了加速寿命实验，结果表明，TFCP电极的使用寿命明显增长。通过在Ti基底和Ce-PbO2催化剂引入FeTiO3后，电极的稳定性和降解性能均得到提升，说明FeTiO3和Ce-PbO2具有协同作用。▲图4.不同催化剂制备条件(a)Ti和Fe摩尔比的变化(d)FeTiO3层的数量(g)TCP的电沉积时间和(b，e，h)相应的一级动力学和(c，f，i)表中观察到的速率常数对LEVO降解效率的影响。▲图5.TFCP电极对LEVO降解的性能：(a)电流密度(d)不同电极距离(g)溶液pH和(b，e，h)相应的一级动力学和(c，f，i)表中观察到的速率常数。除了对LEVO的降解外，该课题组还研究了TF、TCP和TFCP对LEVO的COD去除效率(图7a)。在最佳条件下，在120分钟时，TFCP的COD去除效率(79.88%)显著高于TF和TCP电极的COD去除率(分别为67.22%和59.33%)。在计算图7a中获得的COD去除数据后，获得了每个电催化剂的ICE、ACE和EEC，如图7b、c和d所示。ACE和ICE将随着电催化降解时间的增加而减少，而COD去除所需的EEC将随着电催化剂降解时间的延长而增加。这与上述确定的LEVO降解速率一致，表明TFCP在实际应用中具有广泛的适用性。▲图7.(a)在上述电催化降解过程中(条件：电流密度30mA cm-2和pH 7.0)，TF、TCP和TFCP电极对LEVO的COD电催化去除率，(b)计算的ICE，(c)ACE和(d)EEC。该课题组通过连续浸渍热解和电沉积法在TCP电极引入 FeTiO3 界面层，并应用于电催化降解LEVO。与TF和TCP电极相比，TFCP电极具有更大的活性面积、更低的电荷转移电阻、更强的电化学性能和更长的使用寿命。并用TFCP对LEVO的电化学降解进行评价，降解反应符合准一级动力学模型。对于整个降解过程，通过对催化剂制备条件和电流密度、极板间距以及溶液PH值进行优化。在120 min后，TFCP电催化剂对LEVO的降解效率高达95%，COD去除效率为79%。其中·OH自由基在电化学氧化过程中起主导作用。此外，最佳TFCP 电催化剂还表现出更高的 ICE/ACE、更低的 EEC 和理想的稳定性、对许多不同染料的广泛适用性和可重复使用性。并根据实验结果，提出了 TFCP 电极上 LEVO 的假设降解机制和途径。综上所述，TFCP电极在有机污染物降解方面具有广阔的应用前景，同时也为复合电极的发展提供了新的途径。董国华，男，汉族，1980年5月24日，内蒙古丰镇人，2005年7月本科毕业于吉林大学环境科学系(理学学士)，2007年7月硕士毕业于吉林大学环境科学系师从李鱼教授(理学硕士)，2018年3月博士毕业于哈尔滨工业大学化学工程与技术博士毕业师从杨玉林教授(工学博士)，2020年9月教育部青年访问学者黑龙江大学合作导师井立强教授；主要研究方向为多酸、纳米复合物材料的制备以及光电催化、钙钛矿太阳能电池的制备研究，担任Journal of Alloys and Compounds，Journal of Environmental Chemical Engineering 等杂志匿名审稿人，目前在国内外知名期刊 Adv.Energy Mater., ACS Appl. Mater. Interfaces, Chemsuschem, Electrochemica Acta, Applied surface science发表论文50余篇，累计影响因子200多，近5年以第一作者或通讯作者发表SCI论文20篇，影响因子累计近100，分别主持和参与市级以上项目10项(含国家自然科学基金面上1项)，第一发明人授权专利5项，出版专著1部，获黑龙江省高校科学技术二等奖1项，2019年任黑龙江省分析测试协会会员。https://www.scholat.com/dongguohua
目前评论：0