东华大学刘艳彪团队ES&T：“铜纳米线电极——电活化过硫酸盐选择性降解含氮污染物”

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图文摘要

成果简介

近日，东华大学刘艳彪教授团队在环境领域期刊Environmental Science & Technology上发表了题为“Copper nanowire networks: An effective electrochemical peroxymonosulfate activator toward nitrogenous pollutants abatement”的研究论文。该研究研发了一种选择性去除水中含氮污染物的流体电化学系统，借助系统性的实验研究和理论计算阐明了相关反应机理 。

引言

图文导读

表征

本研究利用葡萄糖还原的方法制备CuNW膜电极，具体的制备过程如图1a所示。借助FETEM、XRD和XPS等表征手段对CuNW膜电极的形貌和组成进行了系统性表征，上述结果证实了纳米线网络的成功制备 。

性能测试

图2a对比了多个体系对磺胺甲恶唑（SMX）的降解效果。结果表明，CuNW/PMS/AP/SMX体系的降解效果最佳。CuNW和铜纳米颗粒（CuNP）由于主要暴露晶面的差异导致催化性能差异明显；在外加电势（AP）作用下，Cu ²⁺ /Cu ⁺ 的循环得到了改善。此外，该体系对系列含氮污染物均具有优异的选择性降解性能（图2b）。

H* 介导的PMS还原

为进一步研究暴露晶面对电化学性能的影响，对CuNW和CuNP分别进行了CV测试。如图3a所示，在-0.3至0.3 V间观察到了H*的氧化峰。而CuNP并没有出现与H*相关的特征峰信号，表明暴露的Cu{111}晶面可靶向诱导H*生成。作为一种强还原剂，H*被认为是PMS活化的关键诱因之一。采用EPR技术检测体系中活性物质的转化（图3b），结果表明，H*促使PMS过氧键裂解为 自由基（如HO ^• 和SO ₄ ^•− ）。

Cu−N 键诱导的PMS氧化

在含氮污染物（如SMX）的参与下，CuNW的XRD特征峰发生了偏移且峰值信号明显增强（图4a），这表明存在杂原子的掺杂和/或更高活性新物质的生成。结合XPS图中N−H特征峰位置的偏移以及同步辐射结果（图4b和4c），证实了N原子的掺杂及Cu−N键的形成。通过DFT计算获得了CuNW上SMX的吸附构型和电子转移数（图4d）。当加入PMS后，活性Cu位点处电子密度的降低使其更容易从PMS处提取电子，进而加速了PMS的氧化进程（图4e和4f）。