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Carbon Future | 美国耶鲁大学王海梁课题组电化学分子催化剂“绿化”有机氯污水

催化

作者：X-MOL 2024-10-30

由于三氯乙烯（TCE）广泛用于工业并且具有易挥发及难以降解的特性，它常常污染地下水，对人们的健康构成威胁。为解决传统处理方法的缓慢，低选择性和有毒副产品问题，耶鲁大学王海梁教授课题组用负载在碳纳米材料上的钴酞菁（CoPc）催化剂，通过电化学方法成功去除污水中95%以上的TCE，并将其完全转化为乙烯，为高效可持续TCE处理提供了一种新的方案。

图文导读

Research Summary

对于CoPc/CNT催化性能的研究表明其可在 −0.48 V 到 −0.68 V （vs. RHE）的电压区间中将TCE以接近100%的法拉第效率还原为乙烯（图1a）。与其他已知的电化学催化剂相比，CoPc/CNT在保证了低过电势以及高选择性的同时也避免了有毒副产物的生成（图1b）。通过Tafel分析，我们发现CoPc/CNT所催化的这一TCE到乙烯转换反应不受反应体系pH的影响并受限于第一个电子的转移速率，这一来自于分子催化剂单位点性质的结果有助于抑制析氢反应从而提升乙烯的选择性（图1c，1d）。由于可能受到反应中具有自由基性质的中间体的影响，CoPc/CNT表现出较差的稳定性（图1e）。

图1. CoPc/CNT的电催化性能。电催化性能：

(a) CoPc/CNT 在 0.1 M KHCO₃ 溶液中的电化学 TCE 脱氯性能；(b) CoPc/CNT 与其他催化剂之间 TCE 脱氯选择性和乙烯产率的比较；(c)和(d) 不同 pH 值下 CoPc/CNT 催化 TCE 还原生成乙烯的 Tafel 曲线 (RHE（c）和 SHE（d)); (e) CoPc/CNT 在 −0.64 V 下在 0.1 M KHCO₃ 中催化的 TCE 脱氯稳定性。

为改善CoPc分子催化剂的稳定性，我们利用其与碳纳米材料的较强相互作用将其负载于还原了的氧化石墨烯上。由此得到的CoPc/rGO具有rGO的层状结构以及高度分散的催化位点（图2a和2b）。在改善了的稳定性的基础上，CoPc/rGO也展现出了不亚于CoPc/CNT的电流密度以及法拉第效率（图2c和2d）。

图2. CoPc/rGO 的表征和电催化性能：

(a)和 (b) CoPc/rGO 的 SEM 图像; (c) CoPc/rGO 在 TCE 饱和的 0.1 M KHCO₃ 中的电化学脱氯性能; (d) CoPc/rGO 催化的 TCE 脱氯稳定性。

为检验使用CoPc/rGO以电化学方法处理水中TCE污染物的可行性，我们设计并制造了基于CoPc/rGO的电化学膜过滤装置（图3a）。SEM与XRD表明由CoPc/rGO制成的膜具有层状结构与约3.6 Å的层间距（图3b，3c，3d）。接触角测试发现该膜具有一定的亲水性（图3e）。这一特性有助于改善长时间运行中可能遇到的膜失效问题。

图3. 基于CoPc/rGO的电化学膜过滤装置：

(a) 电化学膜过滤装置示意图; (b)和(c) SEM 图（(b)为俯视图, (c)为侧面横切图）; (d) CoPc/rGO 膜的XRD图；(e) CoPc/rGO@Nylon和Nylon的水接触角。

最后，我们通过调节催化剂用量、工作电流密度和跨膜压力来最大化TCE的截留和转化，成功实现了95%的TCE截留率和60%的转化率，并且这种性能表现能够维持至少10小时（图4）。

图4. 通过CoPc/rGO@Nylon 膜以电化学方法处理水中TCE污染物的性能：（a）催化剂负载量 TCE 截留率、分解比例和水通量的影响（工作电流密度为 2 mA·cm⁻²，跨膜压差为 1.25 psi）；(b)当催化剂质量负载量为 0.31 mg·cm^-2 且跨膜压差为 1.25 psi 时，电流密度对 TCE 截留、分解和能耗的影响；(c) 跨膜压差对 TCE 截留、分解部分和水通量的影响（催化剂质量负载为 0.31 mg·cm⁻²，电流密度为 2 mA·cm⁻²）；(d) 过滤膜的稳定性性能。

文章信息：

Yuanzuo Gao, Wanyu Zhang, Chungseok Choi, Bo Shang, Seonjeong Cheon, Aidan Francis Meese, Jae-Hong Kim, Donghui Long*, John Fortner*, Hailiang Wang*, Effective electrochemical trichloroethylene removal from water enabled by selective molecular catalysis, Carbon Future 2024, 1, 9200015.

https://doi.org/10.26599/CF.2024.9200015

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Carbon Future (《碳未来》)是由清华大学主办的国际英文综合性期刊，聚焦碳领域基础和应用研究，包括碳材料、催化、低碳能源、低碳化工等，致力于发表碳领域前沿进展，打造多学科融合的国际学术交流平台。该刊2024年创刊，由清华大学魏飞教授担任主编，在清华大学出版社SciOpen平台出版，全文开放获取。