通訊單位：齊齊哈爾大學(xué)中國(guó)化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院&國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)管工業(yè)大麻技術(shù)創(chuàng)新中心；國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)管工業(yè)大麻技術(shù)創(chuàng)新中心https://doi.org/10.1016/j.jece.2022.108453
通過(guò)在Ce-PbO2引入FeTiO3界面層的Ti/FeTiO3/Ce-PbO2(TFCP)電催化劑具有優(yōu)異的電催化性能，在120 min內(nèi)左氧氟沙星(LEVO)的降解效率高達(dá)95%，COD去除效率為79%。其中，·OH在降解過(guò)程中其主要作用。TFCP具有較高的平均電流效率，瞬時(shí)電流效率以及較低的電化學(xué)能耗，并且該電極具有優(yōu)異的可重復(fù)利用性以及對(duì)其他抗生素和染料具有廣泛適用性?？傊琓FCP電極在有機(jī)污染物降解方面具有廣闊的應(yīng)用前景。同時(shí)也為復(fù)合電極的發(fā)展提供了新的途徑。
近幾十年來(lái)，由于抗生素在全世界范圍內(nèi)的濫用和無(wú)節(jié)制的生產(chǎn)，抗生素被排放到環(huán)境當(dāng)中，造成了嚴(yán)重的水體污染，成為主要的環(huán)境問(wèn)題。目前，科研工作者已經(jīng)通過(guò)生物降解、絮凝、吸附和化學(xué)氧化法等技術(shù)去除抗生素。然而，上述方法都存在一定缺陷。其中，電催化氧化技術(shù)由于其氧化效率高、易于控制、環(huán)境相容性好、集中應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是一種很有前景的有毒或難降解有機(jī)污染物處理技術(shù)。通常，電化學(xué)氧化的效率受幾個(gè)因素的影響，其中最重要的是電極材料。因此，開(kāi)發(fā)一種具有高催化活性和穩(wěn)定性的新型電極材料具有重要意義。PbO2顯示出高OEP、優(yōu)異的催化性能、優(yōu)異的導(dǎo)電性、強(qiáng)的耐腐蝕性和低成本的優(yōu)勢(shì)，但是由于其相對(duì)較大的界面電阻、膜不穩(wěn)定性和低電流效率嚴(yán)重阻礙其應(yīng)用。大量研究工作表明摻雜可以有效提高PbO2電極的電催化活性和穩(wěn)定性。在該課題組先前的研究報(bào)道的基礎(chǔ)上，成功制備了FeTiO3催化劑。考慮到FeTiO3 具有高穩(wěn)定性，并常用于高級(jí)氧化去除污染物，因此，該課題組通過(guò)在Ti基體和PbO2之間構(gòu)建FeTiO3中間層，克服了PbO2催化劑的缺點(diǎn)，提高電極穩(wěn)定性。本研究中該課題組通過(guò)浸漬熱解法和電沉積法成功之了TFCP電極。首先，在Ti基底上構(gòu)建具有泥裂結(jié)構(gòu)的FeTiO3催化劑，然后進(jìn)一步電沉積Ce-PbO2，形成致密多層結(jié)構(gòu)的電極(圖1)，能夠有效延長(zhǎng)電極使用壽命。在研究過(guò)程中，該課題組對(duì)催化劑的制備和降解參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)有機(jī)污染物進(jìn)行降解測(cè)試和穩(wěn)定性測(cè)試。結(jié)果表明，該電催化體系對(duì)LEVO模擬污染物(30 mg·L-1)的降解效率高達(dá)95%(圖4，圖5)，同時(shí)顯示出COD去除效率為79%。在穩(wěn)定性測(cè)試中，循環(huán)10次前后的降解效率幾乎不變。該課題組還進(jìn)行了加速壽命實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，TFCP電極的使用壽命明顯增長(zhǎng)。通過(guò)在Ti基底和Ce-PbO2催化劑引入FeTiO3后，電極的穩(wěn)定性和降解性能均得到提升，說(shuō)明FeTiO3和Ce-PbO2具有協(xié)同作用。▲圖4.不同催化劑制備條件(a)Ti和Fe摩爾比的變化(d)FeTiO3層的數(shù)量(g)TCP的電沉積時(shí)間和(b，e，h)相應(yīng)的一級(jí)動(dòng)力學(xué)和(c，f，i)表中觀察到的速率常數(shù)對(duì)LEVO降解效率的影響。▲圖5.TFCP電極對(duì)LEVO降解的性能：(a)電流密度(d)不同電極距離(g)溶液pH和(b，e，h)相應(yīng)的一級(jí)動(dòng)力學(xué)和(c，f，i)表中觀察到的速率常數(shù)。除了對(duì)LEVO的降解外，該課題組還研究了TF、TCP和TFCP對(duì)LEVO的COD去除效率(圖7a)。在最佳條件下，在120分鐘時(shí)，TFCP的COD去除效率(79.88%)顯著高于TF和TCP電極的COD去除率(分別為67.22%和59.33%)。在計(jì)算圖7a中獲得的COD去除數(shù)據(jù)后，獲得了每個(gè)電催化劑的ICE、ACE和EEC，如圖7b、c和d所示。ACE和ICE將隨著電催化降解時(shí)間的增加而減少，而COD去除所需的EEC將隨著電催化劑降解時(shí)間的延長(zhǎng)而增加。這與上述確定的LEVO降解速率一致，表明TFCP在實(shí)際應(yīng)用中具有廣泛的適用性。▲圖7.(a)在上述電催化降解過(guò)程中(條件：電流密度30mA cm-2和pH 7.0)，TF、TCP和TFCP電極對(duì)LEVO的COD電催化去除率，(b)計(jì)算的ICE，(c)ACE和(d)EEC。該課題組通過(guò)連續(xù)浸漬熱解和電沉積法在TCP電極引入 FeTiO3 界面層，并應(yīng)用于電催化降解LEVO。與TF和TCP電極相比，TFCP電極具有更大的活性面積、更低的電荷轉(zhuǎn)移電阻、更強(qiáng)的電化學(xué)性能和更長(zhǎng)的使用壽命。并用TFCP對(duì)LEVO的電化學(xué)降解進(jìn)行評(píng)價(jià)，降解反應(yīng)符合準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型。對(duì)于整個(gè)降解過(guò)程，通過(guò)對(duì)催化劑制備條件和電流密度、極板間距以及溶液PH值進(jìn)行優(yōu)化。在120 min后，TFCP電催化劑對(duì)LEVO的降解效率高達(dá)95%，COD去除效率為79%。其中·OH自由基在電化學(xué)氧化過(guò)程中起主導(dǎo)作用。此外，最佳TFCP 電催化劑還表現(xiàn)出更高的 ICE/ACE、更低的 EEC 和理想的穩(wěn)定性、對(duì)許多不同染料的廣泛適用性和可重復(fù)使用性。并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提出了 TFCP 電極上 LEVO 的假設(shè)降解機(jī)制和途徑。綜上所述，TFCP電極在有機(jī)污染物降解方面具有廣闊的應(yīng)用前景，同時(shí)也為復(fù)合電極的發(fā)展提供了新的途徑。董國(guó)華，男，漢族，1980年5月24日，內(nèi)蒙古豐鎮(zhèn)人，2005年7月本科畢業(yè)于吉林大學(xué)環(huán)境科學(xué)系(理學(xué)學(xué)士)，2007年7月碩士畢業(yè)于吉林大學(xué)環(huán)境科學(xué)系師從李魚教授(理學(xué)碩士)，2018年3月博士畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)博士畢業(yè)師從楊玉林教授(工學(xué)博士)，2020年9月教育部青年訪問(wèn)學(xué)者黑龍江大學(xué)合作導(dǎo)師井立強(qiáng)教授；主要研究方向?yàn)槎嗨?、納米復(fù)合物材料的制備以及光電催化、鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的制備研究，擔(dān)任Journal of Alloys and Compounds，Journal of Environmental Chemical Engineering 等雜志匿名審稿人，目前在國(guó)內(nèi)外知名期刊 Adv.Energy Mater., ACS Appl. Mater. Interfaces, Chemsuschem, Electrochemica Acta, Applied surface science發(fā)表論文50余篇，累計(jì)影響因子200多，近5年以第一作者或通訊作者發(fā)表SCI論文20篇，影響因子累計(jì)近100，分別主持和參與市級(jí)以上項(xiàng)目10項(xiàng)(含國(guó)家自然科學(xué)基金面上1項(xiàng))，第一發(fā)明人授權(quán)專利5項(xiàng)，出版專著1部，獲黑龍江省高?？茖W(xué)技術(shù)二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，2019年任黑龍江省分析測(cè)試協(xié)會(huì)會(huì)員。https://www.scholat.com/dongguohua
