Ir-NiFe?O?/Sb-SnO?异质结阳极结构在废水电解电池中的应用指导设计策略

《Applied Catalysis B: Environment and Energy》：Ir-NiFe 2O 4/Sb-SnO 2 Guiding Design Strategy of Heterojunction Anode Architecture for Wastewater Electrolysis Cell

该研究开发出由Ir掺杂的NiFe2O4（INFO）和Sb掺杂的SnO2（SS）组成的异质结阳极，显著提升近中性pH废水中的氯演化反应（ClER）活性与选择性，克服传统贵金属催化剂成本高的问题。INFO层作为高导电性欧姆接触层，SS层通过电荷调控增强ClER活性，并抑制PO4^3-干扰，实现300小时稳定性。实验证实该阳极通过ClO•和Cl•自由基高效降解化学需氧量（COD）和氨氮（NH3-N），同步实现96.1%的析氢电流效率及30.1%的能源效率，为废水电解制氢技术提供新方案。

　　这项研究聚焦于一种新型的废水电解池（Wastewater Electrolysis Cell, WEC）中使用的异质结阳极材料。WEC作为一种分布式废水处理平台，具有与氢气生产相结合的优势，为实现高效、可持续的废水处理提供了新的思路。传统的废水处理方式往往依赖于集中式的生物处理系统，然而这类系统在处理高浓度有机物和氮源污染物时存在一定的局限性，特别是在应对家庭厕所废水和畜牧养殖废水中的复杂成分时，效果不佳。因此，开发一种高效、稳定且经济的电化学处理方法成为当前研究的重要方向。

在本研究中，研究人员设计了一种异质结阳极，其底层为掺铱（5 at%）的NiFe?O?（INFO）尖晶石结构，上层为掺锑（Sb）的SnO?（SS）。这种设计特别针对在接近中性pH条件下进行的氯演化反应（Chlorine Evolution Reaction, ClER）。实验结果显示，INFO/SS异质结阳极在50 mM NaCl溶液中展现出卓越的ClER活性和选择性，其电流效率达到了92.1%，在30 mA/cm2的电流密度下优于基准材料IrO?。这一性能提升不仅有助于提高氯气的生成效率，还能够有效促进有机和氮源污染物的矿化，从而实现废水的高效净化。

通过原位X射线吸收光谱（X-ray Absorption Spectroscopy, XAS）分析，研究人员确认了Sn的特定结构（Sn-motifs）是ClER的主要活性位点。这表明在异质结阳极中，底层INFO主要起到欧姆接触的作用，而上层SS则通过感应电荷转移增强了对氯反应的选择性。此外，SS层还起到了保护作用，使INFO能够在接近中性pH环境中保持长期稳定性，超过300小时的运行时间未出现明显性能下降。这一发现为异质结阳极的设计提供了重要的理论依据，尤其是在如何优化反应选择性和稳定性方面。

为了进一步验证这种阳极材料的实际应用效果，研究人员将其应用于真实厕所废水的电解处理中。实验表明，INFO/SS阳极能够通过自由氯物种（如Cl?、HOCl和ClO?）的反应有效降解氨氮（NH?-N），并利用氯自由基（Cl•）和氯过氧化物自由基（ClO•）的氧化作用显著降低化学需氧量（Chemical Oxygen Demand, COD）。这一过程不仅提高了废水处理的效率，还实现了氢气的高效生产，Pt阴极的氢气生成效率达到了96.1%，能量效率则达到了30.1%。这些数据表明，INFO/SS阳极不仅在理论上具有优势，而且在实际应用中也表现出良好的性能。

在研究过程中，研究人员还对不同异质结阳极的结构进行了比较分析，探索了其在废水处理中的适用性。通过分析不同内层（如IrO?、NFO、INFO）和外层（如SS、SnO?、PbO?、TiO?）的组合，他们提出了一种基于元素电负性分组的异质结阳极设计指南。这一指南有助于优化阳极材料的结构，使其在废水矩阵中能够更有效地生成反应性氯物种（Reactive Chlorine Species, RCS），同时减少对昂贵贵金属的依赖。这一设计策略不仅降低了材料成本，还提高了系统的经济性和可持续性。

此外，研究人员还对多层阳极的性能进行了深入探讨，揭示了多种机制对反应活性和选择性的影响。例如，渗透选择性（perm-selectivity）、晶格畸变（lattice distortion）、共催化溢出效应（co-catalytic spill over）以及电子结构的调控（modulation of electronic structure）等。这些机制共同作用，使异质结阳极能够在复杂废水环境中保持高效的反应性能。同时，研究还发现，SS层在热力学上具有较高的稳定性，能够有效防止Ni和Fe的溶解，从而延长阳极的使用寿命。

在实际应用中，INFO/SS异质结阳极展现出显著的优势。其不仅能够有效处理厕所废水中的有机物和氮源污染物，还能实现氢气的高效生产。这种双重功能使得WEC系统在分布式点对点氢气生产中具有广阔的应用前景。通过与传统阳极材料的对比，研究人员发现INFO/SS阳极在接近中性pH条件下表现出更高的稳定性，同时在氯反应的选择性方面也优于其他材料。这表明，在设计异质结阳极时，应充分考虑其在不同pH环境下的适用性，以及如何通过材料优化提高系统的整体性能。

综上所述，这项研究为WEC系统的发展提供了重要的理论和技术支持。通过设计和优化异质结阳极，研究人员成功克服了传统材料在成本、稳定性以及选择性方面的不足，使得WEC在实际应用中更加高效和可靠。这一成果不仅有助于推动废水处理技术的进步，也为实现可持续的氢气生产提供了新的思路。未来，随着对异质结阳极结构的进一步研究，有望开发出更加高效、经济的废水处理和氢气生产系统，为环境保护和能源可持续性做出更大贡献。