具有高比表面积改性的Ti毡电极，用于降解聚苯乙烯纳米塑料

《Journal of Electroanalytical Chemistry》：High surface area modified Ti-felt electrodes for the degradation of polystyrene nanoplastics

电化学降解纳米塑料的研究中，Ti-felt电极因其高比表面积和粗糙表面，显著提升了Pt和SnO?-Sb-Pt催化剂的性能。通过伏安法表征发现，SnO?-Sb-Pt电极的活性电流密度较BDD电极高68倍，且在25-50 mA·cm?2电流密度下，其纳米塑料降解时间最短（100-300分钟），能耗最低（16.7-321.9 kW·h·m?3·order?1）。光谱分析表明，Ti-SnO?-Sb-Pt电极通过自由基（•OH）和硫酸根自由基（SO?2?·）协同作用实现高效降解，同时生成少量中间荧光产物（如苯酚），证实了直接电化学氧化机制。

　　### 电化学氧化纳米塑料的高效电极研究

#### 研究背景与意义

随着塑料在各个领域的广泛应用，其生产量和废弃量显著增加。2020年全球塑料生产量达到了4.35亿吨，预计到2040年将增加到7.36亿吨。同时，塑料废弃物的管理问题也日益突出，预计2020年全球未妥善处理的塑料废弃物为8100万吨，而2040年将上升至11900万吨。这些废弃物中有约31%最终进入河流和海洋，其余则产生陆地泄漏。塑料在自然环境中会经历生物和非生物降解过程，最终形成微塑料（MPs）和纳米塑料（NPs）。这些纳米塑料广泛存在于陆地环境、内陆和海洋水体以及大气中，形成了所谓的“微塑料循环”。此外，化妆品和个人护理产品中也含有微塑料，如面部磨砂膏。欧洲联盟已采取措施限制这些产品中微塑料的使用。

纳米塑料的存在对人类健康产生了广泛影响，包括对消化、呼吸、生殖、神经系统和心血管系统的毒性作用。因此，开发高效的纳米塑料去除技术显得尤为重要。传统方法如物理过滤仅能分离纳米塑料，而化学方法中的高级氧化过程（AOPs）则能实现其降解。这些方法包括芬顿反应、臭氧技术、UV-H?O?、异质光催化和高频超声波等。然而，这些技术通常需要使用化学试剂如臭氧、过氧化氢等，可能带来二次污染。相比之下，电化学技术作为AOPs的一种，具有使用固态电催化剂的优势，且仅需NaCl或Na?SO?等无害电解质和电子作为主要反应物。此外，合成海水已被提出作为电解质，用于促进聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）微塑料的电化学降解。

#### 研究目标与方法

本研究旨在开发一种高效、低成本的纳米塑料降解方法，重点探讨使用钛毡（Ti-felt）作为支撑材料，结合铂（Pt）和SnO?-Sb-Pt电催化剂的电极在电化学降解纳米塑料中的性能。Ti-felt具有高比表面积和多孔结构，能够提高电催化反应的效率。通过与电催化剂结合，进一步增强了电极的活性。此外，研究还通过荧光光谱和第二级衍射光信号来监测纳米塑料的浓度变化，分析其降解过程。

研究采用了多种电化学技术，包括循环伏安法（CV）和电化学阻抗谱（EIS），以评估不同电极的电化学活性和性能。CV用于测量电极在不同红ox介质中的电流密度变化，而EIS则用于分析电极的电导率和电容特性。通过这些技术，研究者能够判断纳米塑料的直接电氧化作用和间接氧化途径的效率。此外，研究还通过荧光光谱和第二级衍射光技术来定量分析纳米塑料的浓度变化，同时结合傅里叶变换红外光谱（FTIR）和气相色谱-质谱联用技术（GC-MS）来研究降解产物的形成。

#### 实验与分析

研究中使用了两种类型的电极：未涂层的Ti-felt电极和涂层的Ti-Pt和Ti-SnO?-Sb-Pt电极。所有电极均在0.03 M Na?SO?电解液中进行测试。首先，通过CV测试了不同电极在Ru(NH?)?Cl?和K?Fe(CN)?红ox介质中的性能，结果显示Ti-SnO?-Sb-Pt电极的电流密度比硼掺杂金刚石电极（BDD）高出68倍。这可能归因于Ti-felt的高比表面积和电催化剂涂层的粗糙结构，从而提高了电化学反应的效率。

进一步的实验表明，当纳米塑料（100 nm）加入电解液中时，Ti-Pt和Ti-SnO?-Sb-Pt电极的阳极电流密度显著增加，表明纳米塑料在电极表面发生了直接电氧化反应。此外，研究还通过测量羟基自由基（•OH）、过硫酸盐（S?O?2?）、过氧化氢（H?O?）和臭氧（O?）的生成量，评估了电极的氧化能力。结果显示，Ti-SnO?-Sb-Pt电极在这些氧化物种的生成方面表现优于Ti-Pt电极，但电化学能耗更低。

通过荧光光谱分析，研究者能够监测纳米塑料的降解过程。纳米塑料的荧光信号随着降解过程而减弱，表明其浓度逐渐降低。同时，第二级衍射光信号的强度变化也被用来评估纳米塑料的浓度变化，这种方法的优势在于其信号强度高于荧光信号，能够更有效地监测降解过程。实验结果表明，Ti-SnO?-Sb-Pt电极在50 mA·cm?2电流密度下实现了90%的纳米塑料降解，而Ti-Pt电极则需要210分钟。此外，Ti-SnO?-Sb-Pt电极的电化学能耗显著低于Ti-Pt电极，表明其在实际应用中具有更高的经济性。

FTIR分析显示，纳米塑料在电氧化过程中发生了化学结构的变化，特别是在Ti-SnO?-Sb-Pt电极下，芳香环的振动峰发生了显著变化，表明纳米塑料的氧化更为彻底。GC-MS分析进一步确认了降解产物的形成，但在高电流密度下，未检测到中间产物，可能由于其浓度较低，或GC-MS对极性氧化产物的灵敏度有限。

#### 研究发现与讨论

研究发现，Ti-SnO?-Sb-Pt电极在电化学降解纳米塑料方面表现出色，主要得益于其高比表面积和粗糙的电催化剂涂层。这些特性使得纳米塑料能够更有效地与电极接触，从而提高降解效率。此外，Ti-SnO?-Sb-Pt电极在降低电化学能耗方面也优于Ti-Pt电极，这使其在实际应用中更具优势。

在降解过程中，Ti-SnO?-Sb-Pt电极生成了更多的羟基自由基（•OH）和过氧化氢（H?O?），但过硫酸盐（S?O?2?）的生成量较低。这表明Ti-SnO?-Sb-Pt电极主要通过自由基的直接攻击实现纳米塑料的降解，而Ti-Pt电极则可能通过化学吸附的羟基自由基和过硫酸盐的间接氧化途径实现更彻底的矿化。这种差异在FTIR和GC-MS分析中得到了验证，Ti-Pt电极的降解产物更少，表明其具有更高的选择性和矿化效率。

#### 应用前景与挑战

本研究的结果表明，使用Ti-felt作为支撑材料的电极在纳米塑料的电化学降解中具有显著优势。其高比表面积和良好的电化学性能使得降解效率更高，同时降低了能耗。这些特性使其在废水处理和环境修复领域具有广阔的应用前景。然而，实际应用中仍需考虑电极的稳定性和寿命，以及如何优化操作参数以进一步提高降解效率和降低能耗。

此外，研究还指出，纳米塑料的降解过程受到多种因素的影响，包括电流密度、电极材料和电解液的性质。在高电流密度下，虽然降解速度加快，但可能引发副反应，如氧气析出，从而降低效率。因此，需要在电流密度和降解效率之间找到最佳平衡点。同时，纳米塑料的降解产物可能对环境产生新的影响，需进一步研究其生态毒性和环境行为。

#### 结论

本研究成功开发了一种基于钛毡和SnO?-Sb-Pt电催化剂的高比表面积电极，用于纳米塑料的电化学降解。该电极在所有研究的电流密度下均表现出优异的降解性能，且电化学能耗较低。通过多种分析手段，研究者确认了电极的高活性和纳米塑料的降解机制。未来的研究应进一步优化电极结构和操作条件，以提高其在实际环境中的应用效果。同时，还需考虑电极的长期稳定性和降解产物的环境影响，以确保其在环境保护和资源回收方面的可持续性。