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哈尔滨工业大学马军院士团队赵雨萌等ACS ES&T Eng.：无机电催化膜——从基础科学到性能转化

时间：2023-09-11 来源：浏览：

哈尔滨工业大学马军院士团队赵雨萌等ACS ES&T Eng.：无机电催化膜——从基础科学到性能转化

ACS Publications 环境人Environmentor

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微信号 Environmentor2017

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英文原题： Inorganic Electrified Membrane: From Basic Science to Performance Translation

通讯作者 ：赵雨萌, 哈尔滨工业大学

作者：Dezhen Kong, Yumeng Zhao*, Runzhi Wang, Jiaxuan Li, Jinkuo Li, and Jun Ma

近日，哈尔滨工业大学环境学院马军院士团队赵雨萌助理教授在环境领域期刊 ACS ES&T Engineering 发表无机电催化膜（IEM）综述。该项工作从IEM材料的内在电化学性质到其性能转化角度，定量评估了三种主流的IEM（Ti ₄ O ₇ 、碳和金属）。通过明确IEM存在的障碍，提出了优化IEM的跨学科方法。

电催化膜（EM）过滤是一种有潜力的分散式水处理技术。EM将膜分离与电现象结合起来。这些电现象发生在整个膜表面和膜孔内部。当水流经膜孔时，空间约束效应、对流增强的传质效应和多场效应的协同作用可有效增强电磁性能。因此，EM作为增强的模块化过程，被广泛的设计用来实现快速的水净化和回收。

无机材料因其良好的亲水性、机械强度和化学稳定性以及不断降低的价格获得发展势头。用于电催化膜的无机材料主要分为三类：陶瓷、碳和金属。其中，亚氧化钛（Ti ₄ O ₇ ）作为典型的陶瓷材料，可以制备成独立一体式的无机电催化膜（IEM），其在高阳极极化条件下表现出良好的析氧电位和较强的稳定性，有利于形成•OH用于水体净化。此外，碳材料凭借其高导电性和比表面积以及富含充足的用于锚定催化剂的官能团，被广泛的用作IEM的基底材料。金属IEM，通常是指掺杂贵金属的IEM，表现出增强的导电性和活跃的电催化活性，其在水处理领域（包括氢解反应、电芬顿工艺、细菌灭活和过硫酸盐电活化）具有多重技术优势。近年来对IEM的综述着重于电过滤的工作原理、材料分类和典型应用场景。然而，缺乏对IEM材料的内在电化学特性的基本认识，以及对其与IEM性能的相互关系的进一步评估。鉴于上述差距，评估IEM材料的基本电化学特性以及这些特性如何影响IEM的过滤性能，对于合理设计IEM至关重要。

在这篇综述中，我们批判性地评估了三种主流的IEM材料和其与电过滤集成后的应用，即Ti ₄ O ₇ ，碳和金属IEM。本文系统地讨论了Ti ₄ O ₇ 和碳材料分别作为“非活性”和“活性”电极的电化学性能、针对IEM适用性的制备技术、由其固有电化学性能衍生的去污机制以及提出的性能增强策略。接下来，本文介绍了金属IEM，重点针对Ag-IEM和Pd-IEM。我们强调了Ag-IEM中Ag ⁺ 溶解和电现象的协同作用的基本杀菌机制，并提出了一种抗生物膜污染的交流模式。其次，我们概述了Pd-IEM独特的氢解能力，活性原子氢（H*）的识别技术，以及其在加氢脱氧和过硫酸盐电活化中的应用。最后，我们总结了IEM在分散式水处理系统应用的挑战和可能的策略。

图1：Ti ₄ O ₇ IEM的制备及•OH生成机理。（a）复合和一体式Ti ₄ O ₇ IEM的制备方法示意图。（b）“活性”和“非活性”阳极上的O ₂ 、H ₂ O ₂ 和•OH生成途径。（c）电化学水分解的火山图。ΔG* _OH 表示通过DFT计算得到的*OH的自由能，U _L 表示计算得到的极限电位(即发生电化学反应的最低电位)。黄色、蓝色和红色区域分别代表在阳极水分解过程中，O ₂ 、H ₂ O ₂ 和•OH的优先生成区域。暗红色椭圆区代表了在Ti ₄ O ₇ 电极上高效产生•OH的预测合适区域。

图2：碳IEM增强的电化学性能及常见制备方法。（a）不同碳IEM材料性质对比雷达图。（b）不同碳IEM文献数量的百分比。（c）与间歇式碳电化学系统相比，流动型碳电催化膜过滤系统的吸附和电化学性能有所提高：（i）碳IEM提高了对Sb ³⁺ 的吸附和去除性能；（ii）碳IEM强化了传质过程；（iii）碳IEM提升了电子传递过程。（d）一体式碳IEM制备示意图：（i）湿纺丝法；（ii）真空过滤法；（iii）一步电化学法。

图3：碳IEM用于水净化的机制示意图。（a）直接氧化机制。（b）氯介导氧化机制。（c）直接还原机制。（d）电芬顿机制。（e）过硫酸盐活化机制（根据活化介质分类，包括电子介导的过硫酸盐活化、原子氢介导的过硫酸盐活化和过渡金属介导的过硫酸盐活化）。

图4：检测碳IEM稳定性和析氧能力的表征分析方法。（a）不同CNT的循环伏安曲线。（b）施加电压后，不同CNT的归一化电流的变化。（c）施加不同电压下后，CNT的电导率变化。（d）施加不同电压后，CNT的TOC和TN降解率。（e）不同CNT的线性扫描伏安曲线。（f）不同CNT的Tafel曲线。

图5：金属IEM制备示意图。（a）物理气相沉积。（b）过滤涂层。（c）化学气相沉积。（d）偶联剂。

图6：Ag IEM通过Ag和电现象协同作用提高抗菌性能。（a）Ag IEM表面的Ag纳米颗粒释放Ag ⁺ 的示意图。（b）Ag ⁺ 的抗菌机理示意图。（c）阴极Ag IEM杀菌机制示意图（包括电排斥失活、阴极原位生成H ₂ O ₂ 氧化和阴极还原Ag ⁺ 再生Ag ⁰ ）。（d）电穿孔杀菌机理示意图。（e）阳极Ag IEM杀菌机制示意图（包括阳极促进Ag ⁺ 释放、阳极直接氧化和阳极原位生成•OH氧化）。（f）Ag IEM结合交流电策略控制生物膜污染示意图。

总的来说，IEM结合了膜分离和电化学处理的优点，是作为分散式水处理系统的一种潜在技术。目前IEM工作主要集中在水净化方面，未来工作可以针对以下几点：（i）提高对IEM基础科学的深入理解；（ii）认识和克服IEM目前存在的障碍；（iii）评估大规模应用IEM进行水处理的经济和环境影响。

相关论文发表在 ACS ES&T Engineering 上，哈尔滨工业大学博士研究生孔德桢为文章的第一作者，哈尔滨工业大学赵雨萌助理教授为通讯作者。

来源： ACS美国化学会。投稿、合作、转载、进群，请添加小编微信Environmentor2020！环境人Environmentor是环境领域 最大的学术公号 ，拥有近 15W+活跃读者 。由于微信修改了推送规则，请大家将环境人Environmentor加为星标，或每次看完后点击页面下端的 “赏” ，这样可以第一时间收到我们每日的推文！环境人Environmentor现有综合群、期刊投稿群、基金申请群、留学申请群、各研究领域群等共20余个，欢迎大家加小编微信Environmentor2020，我们会尽快拉您进入对应的群。