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CRC | ⌈上海海洋大学霍志保教授团队⌋ 碳材料在电催化氧化处理废水中有机污染物的应用综述

已有 1813 次阅读 2023-5-9 16:08 |系统分类:论文交流



近日,上海海洋大学霍志保教授团队在期刊Carbon Resources Conversion发表题为⌈Carbon materials in electrocatalytic oxidation systems for the treatment of organic pollutants in wastewater: a revie⌋ 的文章,该文章综述了近年来碳材料在电催化氧化降解废水中有机污染物的研究进展,详细的讨论了碳材料的特点和设计思路,系统介绍了碳材料电极的制备工艺以及碳材料电极在电吸附和电催化氧化中的作用机理,最后对碳基电极电催化降解的研究方向和可预见的挑战进行了总结和展望。


研究背景

随着工业的发展,纺织、造纸、印染等诸多化工行业产生的难降解有机废水排放量与日俱增。由于上述废水中含有大量成分复杂的有毒有害的持久性有机污染物,这些成分容易在生物体内积累,引起中毒甚至癌症,对环境和人类健康构成严重威胁。由于这类废水具有高毒性等特点,利用传统的生物方法处理效果有限,因此,开发高效的处理难降解有机污染物的技术对化工行业实现废水零排放具有重要意义。

近年来电催化氧化技术由于其操作简单,环境包容性强,处理效果好等优势,已被广泛关注。其中,电极是影响其处理效果的一个核心所在。由于碳材料具有高表面积,良好的导电性,结构稳定,耐酸碱等特点,因此,碳基电极已成为电催化氧化降解有机污染物研究领域的热点。近年来,各种新型的碳材料陆续开发并应用于环境电催化领域,但是,相关综述性报道仍然较少,鉴于此,本文从不同类型碳材料角度入手,对该领域进行了总结、回顾和展望。

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结果及意义

此综述主要分为两大部分。作者首先对几种常见的碳纳米材料在电催化氧化系统降解有机污染物方面的相关应用进行了分析。纳米石墨具有高导电性和耐酸碱性且表面存在缺陷,利于与其他原子结合修饰。碳纳米管同样具有高比面积以及强稳定性,将其引入进行掺杂可以减小其他催化剂晶体颗粒的尺寸,增加电极的电化学比表面积和电荷转移比表面积,促进有机污染物在涂层之间的扩散。碳纳米纤维作为碳纳米材料,具有良好的电子导电性、机械强度和化学稳定性,目前也已用于电化学领域。虽然碳纳米材料有很多优点,但也有一定局限性。为了进一步提高碳纳米材料的催化活性,研究人员往往通过各种方法来进行改性,包括引入金属氧化物以提高材料的电催化活性和催化反应速率,以及引入杂原子改变碳材料电子结构从而提高材料的催化活性等。

进而,作者继续总结了不同多孔碳材料在降解有机污染物中的应用,讨论了不同多孔碳材料在电催化氧化体系下污染物去除效果,能耗使用等。活性碳、生物碳、玻璃碳等是目前广泛研究的电极材料,尤其是活性碳,一方面它具有高比表面积、高度发达的多孔结构和丰富的含氧表面官能团,有利于污染物富集和吸附。另一方面它可以使得电化学过程中同时发生吸附和电吸附,从而进一步提高降解效率。多孔碳材料电极对有机污染物的处理效果的不同主要归结于本身催化性能的差异,但操作条件,水质条件,处理水量等同样产生影响。因此,选择合适的电极和工艺条件、尽量减少反应过程中副反应十分关键。

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碳基电极在电催化氧化领域的研究仍处于发展阶段。一方面,传统的碳材料电极具有较少的活性位点,这使得提高催化效率具有挑战性。同时,碳材料在高电位下容易发生化学腐蚀,稳定性较差。另一方面,目前的研究主要停留在初级研究层面,电极的工业应用仍然相对较少。这是由于实际废水成分复杂多样,会增加各成分对碳材料电极的腐蚀作用,进一步降低碳材料电极使用寿命。此外,在电催化氧化系统的运行过程中,一些药剂的添加和回收过程消耗电能,导致能源效率降低。这两个方面导致碳电极的工业应用受到限制。因此,作者认为未来的方向是将其与实际废水条件相结合,制备具有高稳定性和催化活性的碳电极。


文章信息

文章标题

Carbon materials in electrocatalytic oxidation systems for the treatment of organic pollutants in wastewater: a review

研究团队

Xintong Duan, Nahui Zhang, Shichun Wang, Mengjie Zhang, Yaguang Sun, Shujing Sun, Zhibao Huo, Dezhang Ren

文章路径

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2588913323000236?via%3Dihub



作者介绍


第一作者:

段昕彤

硕士研究生

主要研究方向:

电催化氧化降解有机废水

发文记录:

合作发表SCI论文两篇



通讯作者:

霍志保

博士,研究员,

硕/博士生导师

主要研究方向:

环境和能源领域的研究和应用工作

学术成就:

  • 发表SCI论文110多篇,申请和授权专利30多项

  • 参编英文著作(章)5部,专著1部

  • 主持和参与国家级、省部级及其它课题20多项

  • 中国化学会高级会员,中国环境科学学会高级会员,英国皇家化学会会员




期刊及主编介绍


https://www.keaipublishing.com/en/journals/carbon-resources-conversion/

Carbon Resources Conversion (CRC) 是一本专注于碳资源转化的国际学术期刊。

沈阳化工大学校长许光文教授和希腊雅典农业大学食品科学与人类营养学系Seraphim Papanikolaou教授担任主编。

期刊自2018年创刊以来,致力于推广碳资源基础研究和工业发展方向的优质学术文章,主要发表包括化石资源、生物质、有机废弃物、碳基平台化合物等各种碳资源清洁、高效、增值、低碳利用相关的基础研究和工业开发成果。期刊编委成员包括来自中国、美国、英国、法国、日本、韩国等多个国家的知名学者。

目前,期刊入选2021年中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊项目;2022年CiteScore高达9.7, 位列所在学科的前10%

同时被ESCI、EI Compendex、DOAJ、INSPEC、Scopus、CAS等重要数据库收录。



主编:许光文 教授

  • 博士生导师

  • 沈阳化工大学学科带头人

  • 资源与化工教育部重点实验室主任、校长

学术成就及荣誉:

  • 英国皇家工程院外籍院士

  • “十三五”国家重点研发计划煤炭清洁利用与先进节能技术重点专项总体专家组专家

  • 国家973计划项目首席科学家

  • “十二五”国家863计划先进能源技术领域洁净煤技术主题专家组专家

  • 首批国家黄大年式教师团队

  • 在Applied Catalysis B、AIChE J.、Chem. Eng. J.、Chem. Eng. Sci.、Applied Energy、Environ. Sci. Technol.、Bioresource Technol.,以及《中国科学》《化工学报》等期刊发表论文400余篇



主编:Prof.Seraphim Papanikolaou

  • 微生物技术领域专家

  • 希腊雅典农业大学食品科学与人类营养学系

主要研究领域:

  • 发酵生物技术

  • 农业工业废弃物和残留物的生物技术定量化

  • 由酵母、真菌和细菌合成的微生物代谢化合物的生产

学术成就:

  • 发表同行评议文章200篇

  • 会议文章140余篇

  • 完成专著章节11篇

  • 为超过120本学术期刊审稿





https://m.sciencenet.cn/blog-3496796-1387380.html

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