设计一种TiHx-NTs/Sb-SnO2-Ni电极，以提高电化学法生成臭氧的效率，并将其实际应用于纺织废水中的Red 73降解过程

《Materials Chemistry and Physics: Sustainability and Energy》：Designing a TiH X- NTs / Sb - SnO 2 -Ni electrode to improve the efficiency of ozone generation by electrochemical method and its practical application in the degradation of Red 73 in a textile wastewater

臭氧电化学生成中钛基电极的优化与废水脱色应用研究。通过在钛电极表面构建TiHX纳米管涂层和Ni-Sb-SnO2复合层，显著提升电极性能。实验证明该电极在25 mA/cm2电流密度下，130分钟内可降解97.1%的C.I. Disperse Red 73染料，COD去除率达54.8%。

　　这项研究聚焦于开发一种高效、稳定且易于制造的电极材料，其主要目的是通过电化学方法生成臭氧。臭氧作为一种强大的氧化剂，在水和废水处理中具有广泛应用，能够有效且迅速地去除多种有机污染物和病原体。相比其他氧化方法，臭氧的优势在于其在氧化过程中不会产生有害的副产物。例如，与氯和其他高氧化性物质相比，氯化物可能生成具有毒性的有机氯化物，而臭氧则会在处理过程中分解为氧气，因此更加环保和安全。

传统的臭氧生成方法，如电晕放电和电气放电臭氧发生器，虽然在某些应用场景中表现良好，但存在诸多局限性。这些方法通常需要高电压和高质量的氧气或空气作为原料，同时还需要高效的气体传输机制，以确保臭氧能够有效传递到待处理的水或废水中。然而，这些条件不仅增加了设备运行成本，还导致了能源利用效率低下。根据相关研究，臭氧生成过程中大约有90%的输入电能以光、声和主要以热的形式被浪费，而未能有效地转化为臭氧。因此，开发一种更为节能且高效的臭氧生成方法成为当前研究的重点。

在此背景下，电化学臭氧生成（EOP）技术被提出作为替代方案。该方法能够以较低的电压运行，直接在液体相中生成臭氧，避免了传统方法中对纯氧气或高质量空气的依赖。同时，电化学方法能够将臭氧直接引入到水中，从而简化臭氧的传输过程，提高其在废水处理中的应用效率。此外，该方法还具有较高的氧化能力，有助于废水中的有机污染物彻底矿化，从而实现更深层次的净化。

臭氧的生成是通过水的电解过程实现的，具体来说是通过水分子的氧化反应。然而，这一反应与氧气的生成反应存在竞争关系，因为其标准电极电势较低。为了提高臭氧的生成效率，研究者们尝试了多种策略，如使用具有高阳极过电势的电极材料以抑制氧气析出反应（OER），或增加电流密度以促进臭氧的形成。这些方法在一定程度上提高了臭氧的生成能力，但同时也带来了一些问题，例如能耗增加、设备复杂性提升等。

在电化学臭氧生成领域，多种电极材料被研究和应用，以减少氧气的生成并增加臭氧的产量。这些材料包括铅 dioxide、金刚石、钛基材料（如钛氧化物纳米管）以及贵金属电极（如铂）。其中，铅 dioxide 电极虽然具有较高的臭氧生成效率，但由于其在酸性介质中容易发生阳极极化而发生降解，因此其应用受到限制。金刚石和铂电极虽然具有优异的电化学性能，但它们的成本较高，且在实际应用中需要低温条件以确保臭氧的生成效率，这在某些工业场景中并不现实。

相比之下，钛基电极因其成本较低、结构稳定且易于改性而受到越来越多的关注。通过在钛基电极表面进行适当的改性，可以显著提升其在臭氧生成过程中的性能。例如，通过涂覆金属盐混合物（如锡、锑和镍的氧化物），可以增强电极表面的催化活性，从而提高臭氧的生成效率。然而，这些钛基电极在实际应用中也存在一些不足，例如催化剂在电极表面的附着力较差，涂层在电解过程中容易脱落，以及电极的使用寿命较短。这些问题限制了其在大规模工业废水处理中的应用。

为了克服这些限制，研究人员开始探索更先进的电极结构。其中，一种新型的钛基电极材料，即 TiHX-NTs/Sb–SnO2–Ni，因其优异的结构设计和表面特性而备受关注。该电极的核心结构是垂直排列的钛 dioxide 纳米管（TiOX-NTs），其具有较大的比表面积，能够提供更多的电化学活性位点，从而促进臭氧的生成。此外，该电极还引入了一层钛氢化物（TiHX）作为中间层，该层不仅增强了电极的结构稳定性，还延长了其在实际应用中的使用寿命。这种结构设计显著提高了电极的电化学性能，使其在臭氧生成过程中表现出更高的效率。

在实际应用中，该电极被用于处理纺织工业废水，其中含有多种染料和其他有机、无机污染物。这些染料，尤其是偶氮染料，因其稳定性及异生物质特性，使得它们在传统的废水处理方法（如光照、化学处理或活性污泥法）中难以彻底去除。因此，未经处理的染料被排放到环境中，导致水体颜色变深、pH 值变化，并增加生物化学需氧量（BOD）和化学需氧量（COD）的浓度，从而对生态环境和公众健康造成威胁。为此，研究人员致力于开发高效的氧化技术，以实现对这些污染物的彻底去除。

在本研究中，通过使用 TiHX-NTs/Sb–SnO2–Ni 电极，研究人员成功实现了对 C.I. Disperse Red 73 染料的高效降解。实验结果表明，在初始浓度为 100 mg·L?1 的条件下，该电极在 130 分钟内能够将 C.I. Red 73 的降解率提高至 97.1%，同时在处理过程中还能去除高达 54.8% 的化学需氧量（COD）。这一结果显示出该电极在处理工业废水中的显著优势，尤其是在去除难降解有机污染物方面。

为了进一步验证该电极的性能，研究人员采用了一系列分析技术，包括扫描电子显微镜（SEM）、能量色散X射线光谱（EDX）、X射线衍射（XRD）、电化学阻抗谱（EIS）和循环伏安法（CV）。这些技术能够全面地评估电极的表面形貌、化学组成、晶体结构以及电化学性能。其中，SEM 图像能够直观地展示电极表面的微观结构，而 EDX 分析则可以确定电极表面的元素组成，从而验证涂层是否成功形成。XRD 技术用于分析电极的晶体结构，以确认其是否具备所需的相组成。EIS 和 CV 技术则用于研究电极的电化学行为，包括其电荷转移特性、电化学活性以及反应动力学等。

在评估臭氧生成效率方面，研究人员采用了标准靛蓝法。该方法能够通过测量臭氧对靛蓝染料的氧化能力，从而间接评估臭氧的生成量。这一方法具有较高的灵敏度和准确性，能够有效反映电极在臭氧生成过程中的性能。此外，研究人员还采用电化学方法对 C.I. Disperse Red 73 进行了降解实验，以验证该电极在实际废水处理中的应用效果。实验结果表明，该电极不仅能够高效地生成臭氧，还能通过臭氧的强氧化性，有效去除废水中的有机污染物。

本研究还对多种电极材料的臭氧生成效率进行了比较。通过查阅相关文献，研究人员整理了不同电极材料在臭氧生成方面的效率数据，并将其与本研究中的 TiHX-NTs/Sb–SnO2–Ni 电极的性能进行对比。这一比较有助于进一步了解不同电极材料在实际应用中的优劣，并为未来的研究提供参考。例如，一些研究指出，钛 dioxide 纳米管电极在臭氧生成方面具有较高的效率，但其在实际应用中容易发生涂层脱落，影响其长期稳定性。相比之下，TiHX-NTs/Sb–SnO2–Ni 电极不仅具有较高的表面活性，还通过引入钛氢化物中间层，显著增强了其结构稳定性，从而提高了其在实际废水处理中的应用价值。

此外，本研究还对电极材料的制备方法进行了探讨。传统的钛 dioxide 纳米管制备方法通常需要高温处理，这不仅增加了能耗，还可能影响电极的结构稳定性。为此，研究人员采用了一种更为简便且高效的制备方法，即通过电化学还原预涂覆的钛 dioxide，以形成钛 dioxide 纳米管结构。这种方法不仅降低了制备成本，还能够确保电极表面的均匀性和稳定性。通过引入钛氢化物中间层，研究人员进一步优化了电极的结构设计，使其在实际应用中表现出更高的耐用性和效率。

在实际应用中，该电极材料被用于处理纺织工业废水。纺织工业废水通常含有大量的染料和其他有机、无机污染物，这些污染物对生态环境和人类健康构成严重威胁。为了有效去除这些污染物，研究人员采用了电化学方法，即通过臭氧的强氧化性，对废水中的有机污染物进行降解。这种方法不仅能够有效去除染料，还能对废水中的其他有机污染物（如有机酸、有机碱等）进行彻底矿化，从而实现更深层次的净化。

本研究的创新点在于，通过引入钛氢化物中间层，研究人员成功提高了钛 dioxide 纳米管电极的结构稳定性和使用寿命。这一改进不仅增强了电极的机械强度，还提高了其在电解过程中的电化学活性，从而实现了更高的臭氧生成效率。此外，该电极材料的制备方法也具有较高的可操作性，能够在较低的温度和压力条件下完成，降低了能耗和设备运行成本。

在实际应用中，该电极材料表现出良好的适应性和稳定性。其能够有效应对不同水质条件下的废水处理需求，包括高浓度的染料、高COD值以及高BOD值等。此外，该电极材料的表面特性也得到了显著优化，使其在臭氧生成过程中能够提供更多的活性位点，从而提高反应效率。这些改进使得该电极材料在实际工业废水处理中具有较高的应用潜力。

为了进一步验证该电极材料的性能，研究人员进行了多组实验。实验结果显示，该电极在不同电流密度和电解时间条件下，均能够实现较高的臭氧生成效率和有机污染物降解率。此外，该电极在处理过程中表现出较低的能耗和较高的能量利用率，使其在实际应用中更具经济性和可持续性。这些实验结果不仅证明了该电极材料的优越性能，还为未来的研究提供了重要的数据支持。

综上所述，本研究提出了一种新型的钛基电极材料，即 TiHX-NTs/Sb–SnO2–Ni。该电极材料通过引入钛 dioxide 纳米管结构和钛氢化物中间层，显著提高了其在电化学臭氧生成过程中的性能。实验结果表明，该电极材料在处理纺织工业废水方面表现出较高的效率，能够有效去除染料和其他有机污染物。此外，该电极材料的制备方法简便、成本低，且在实际应用中表现出良好的适应性和稳定性。这些优势使其在水处理领域具有广泛的应用前景。