近日，温州大学城镇水污染生态治理技术国地中心赵敏教授领衔的分散式污水与流域生态治理团队在国际著名期刊《Water Research》(SCI 一区TOP 期刊，IF = 13.4)上发表题为“Electro-oxidation of Ibuprofen using carbon-supported SnO_x-CeO_x flow-anodes: The key role of high-valent metal”的论文。

研究介绍：

电催化氧化在有机污染物的降解中得到广泛的研究。然而，传统电催化氧化涉及溶液-阳极非均相界面反应，其效率受到有机污染物从本体溶液到阳极表面的传质影响，特别是在高电流密度和低初始浓度的情况下，很可能发生传质限制，降低有机污染物的氧化效率。为克服这一问题，一些研究人员将活性炭、γ-Al₂O₃和陶瓷等各种小颗粒添加到电化学反应器中，在外部电场下通过极化形成三维流动阳极，以增加阳极的比表面积，同时促进传质。然而，与传统DSA阳极相比，目前的三维流动阳极在产生活性物质方面的效率较低，因此降解效率的提高有限。

在本研究中，我们制备了三种以碳材料为基底的三维流动阳极，即SnO_x-CeO_x/活性炭（GAC）、SnO_x-CeO_x/炭黑（CB）和SnO_x-CeO_x/多壁碳纳米管（MWCNTs），并对其电催化氧化布洛芬性能进行了比较。物理化学表征和电化学分析表明，与SnO_x-CeO_x/GAC和SnO_x-CeO_x/MWCNTs相比，SnO_x-CeO_x/CB具有更好的形态分布、更快的电荷转移和更高的析氧电位。与单纯碳材料相比，负载了SnO_x-CeO_x的碳材料对布洛芬的电催化氧化效率更高。在三种碳基底的三维流动阳极中，SnO_x-CeO_x/CB拥有最大的降解速率常数0.02461 1/min （图1）。通过实验研究和理论模拟计算，探讨了布洛芬在SnO_x-CeO_x/CB上最可能的降解路径，且对中间产物进行了毒性评估。此外，与文献中基于活性炭或γ-Al₂O₃的三维流动阳极相比，SnO_x-CeO_x/CB实现了更高的电流效率（47.1%）和更低的能耗（21.3kWh/kg COD），且能在极低的Sn和Ce离子浸出浓度下稳定运行。机理分析表明，SnO_x-CeO_x/CB三维流动阳极具有优异的电化学性能、较强的水吸附性和较低的反应能垒，有利于水选择性氧化生成·OH。其中，Ce物种通过调节SnO_x-CeO_x/CB三维流动阳极的电子结构，定向加速了电子从Sn向CB基底的转移（图2）。

图1 （a）布洛芬在不同三维流动阳极上降解的一级动力学拟合；（b）不同三维流动阳极的动力学常数（k_obs）比较；（c）布洛芬在SnO_x-CeO_x/CB上降解的Langmuir-Hinshelwood模型拟合。

图2 （a）不同三维流动阳极在DMSO下对布洛芬的去除效率；（b）纯CeO₂、初始和使用后的SnO_x-CeO_x/CB的Ce 3d XPS光谱；（c）SnO_x/CB和SnO_x-CeO_x/CB的Sn 3d XPS光谱；在（d）具有和（e）不具有SnO_x-CeO_x/CB的电化学系统中，在电解期间和断电10s之后的电子自旋共振（ESR）光谱；（f） SnO_x/CB和SnO_x-CeO_x/CB上•OH生成的吉布斯自由能图；差分电荷密度：（g）SnO_x和CeO_x的界面；（h）H₂O和（i）布洛芬分子吸附在SnO_x-CeO_x表面。

文章信息

温州大学为第一通讯单位，国地中心金华长博士为论文第一作者，国地中心赵敏教授与浙江海洋大学於洋副教授为论文共同通讯作者。该研究工作由国家自然科学基金（No.52100108，51878595）、国家重点研发计划（2019YFC0408801）、温州生态园科研项目（No.SY2022ZD-1002-04）、浙江教育厅一般科研项目（No.Y202249024）、浙江省石油化工环境污染控制重点实验室开放课题（No.2021Y01）的资助。

论文DOI

https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.121229

作者简介

赵敏，二级教授，任温州大学校长，党委副书记，浙江省生态学会副理事长、浙江省生物科学教指委副主任等职务。主要从事生物数学、生态数学模型、水生态环境等方面的研究。主持国家科技重大专项项目、国家重点研发政府间合作项目、国家973计划前期专项、国家自然科学基金面上项目、浙江省自然科学基金重点课题等十多项课题。联系方式：zmcnzj@sina.com

金华长，博士，主要从事水污染治理及资源化利用、水与废水的电化学处理等研究工作。曾作为项目骨干先后参与了国家重点研发计划（2019YFC0408801）与国家自然科学基金面上项目（51878595）。截至目前，已在国际期刊Water Res.，Chem. Eng. J，J. Membrane Sci.，Desalination，Sep. Purif. Technol.，Ind. Eng. Chem. Res.上发表SCI论文十余篇，其中一作或通讯9篇，获得国家发明专利授权4项，国家实用新型专利授权2项。联系方式：20210501@wzu.edu.cn