La-PbO2电沉积多孔碳及其在处理有机污染物方面的电催化性能

《Journal of Environmental Engineering and Science》：La-PbO 2 electrodeposited porous carbon and its electrocatalytic performance in treating organic pollutants

La-PbO2@C-TOCNF/CGG催化剂通过电沉积法在碳气凝胶基底上制备，无需酸碱预处理，表现出优异的降解偶氮染料（MO、MB、CR）及工业废水（20 mg/L）和抗生素残留（10 mg/L）能力，循环稳定性良好。

　　本文探讨了一种新型的阳极材料——La-PbO?@C-TOCNF/CGG，该材料通过简便的电沉积工艺制备，具有优异的电催化降解性能。研究背景指出，随着城市化进程和工业扩张的加快，水污染问题日益严重，尤其是染料工业排放的废水。这些废水含有大量难以降解的有机污染物，如偶氮染料，它们在水环境中可能分解为具有致癌性的芳香胺类物质，对水生生物和人类健康构成威胁。传统的处理方法，如过滤、混凝和吸附等，虽然在一定程度上能够去除污染物，但往往存在使用寿命短、能耗高和二次污染等问题。

在这一背景下，电催化氧化（Electrocatalytic Oxidation, EO）技术因其绿色高效的特点而受到越来越多的关注。该技术主要依赖于高级氧化工艺（Advanced Oxidation Processes, AOPs）和电芬顿反应（Electro-Fenton process）等过程中产生的大量活性自由基，如羟基自由基、超氧自由基和单线态氧等，这些自由基能够有效降解有机污染物。然而，EO技术的应用也受到阳极材料性能的限制。传统阳极材料如PbO?虽然具有良好的降解效率和矿化能力，但在长期运行中易出现性能下降、活性位点脱落等问题，影响其稳定性和使用寿命。

为了克服这些问题，研究者们尝试对PbO?进行改性，通过引入金属或无机成分来提升其催化活性并减少其在电极表面的脱落。例如，稀土金属及其氧化物被证明能够显著改善PbO?的电催化性能。其中，王等人（2023b）通过在PbO?电极表面引入硼化碳（B?C）和铈（Ce）元素，制备了Ti/PbO?/B?C-Ce电极，成功实现了四环素的完全降解。此外，宁等人（2023）利用CeO?改性的PbO?电极对微塑料进行电催化降解，取得了显著的降解效果。然而，这些改性电极通常基于金属基材，其表面较为光滑，不利于纳米颗粒的生长和分布。因此，需要对金属基材进行酸碱蚀刻处理，以在表面形成纳米结构。然而，酸碱蚀刻过程可能带来环境污染问题，限制了其在实际应用中的推广。

鉴于此，研究团队提出了一种基于碳气凝胶的新型阳极材料，该材料来源于含TEMPO氧化纤维素纳米纤维（TOCNF）和阳离子瓜尔胶（CGG）的水凝胶。通过冷冻干燥和碳化工艺，成功制备了具有三维多孔结构的碳气凝胶（C-TOCNF/CGG）。这种碳气凝胶不仅具有良好的导电性和电化学性能，还拥有丰富的孔隙结构和较大的比表面积，这些特性使其成为负载纳米颗粒的理想基底。同时，碳气凝胶的吸附性能也为其后续的电催化降解提供了便利。

为了进一步提升其催化性能，研究团队在C-TOCNF/CGG基底上进行了电沉积工艺，成功将La-PbO?纳米颗粒负载于碳气凝胶表面。La的引入不仅有助于提升PbO?的表面形貌，还能够增强其反应活性。通过这种制备方法，最终得到了La-PbO?@C-TOCNF/CGG电催化材料。与传统PbO?金属基电极相比，该材料无需进行酸碱蚀刻处理，避免了可能的环境污染。同时，相较于传统的钛基电极，它具有更高的比表面积和更好的机械稳定性，能够有效防止活性物质的脱落，从而提高其使用寿命和降解效率。

实验结果表明，La-PbO?@C-TOCNF/CGG在处理甲基橙（MO）溶液时，能够在180分钟内达到85.26%的降解率；对于亚甲基蓝（MB）和刚果红（CR）的降解效率分别为91.5%和94.5%。此外，该材料在处理工业染料污染的废水（浓度为20 mg/L）和含有抗生素药物的水体（浓度为10 mg/L）时，分别在50 mA cm?2的电流密度下于120分钟内实现了88.7%和73.2%的降解效率。这些数据表明，La-PbO?@C-TOCNF/CGG在处理多种类型的有机污染物方面表现出色。

为了验证该材料的稳定性和可重复使用性，研究团队进行了循环电沉积和降解实验。结果显示，该材料在多次循环后仍能保持较高的催化活性，证明了其良好的循环性能和可回收性。这一发现为未来在实际废水处理中应用该材料提供了重要的理论依据和技术支持。

在结构表征方面，扫描电子显微镜（SEM）图像显示，所有基于碳气凝胶的催化剂都具有典型的多孔结构。其中，La-PbO?@C-TOCNF/CGG表现出丰富的介孔和大孔结构，这不仅增加了活性位点的数量，还促进了电解液的快速扩散和电子的高效传递。此外，纳米颗粒在碳气凝胶的网络结构中均匀分布，进一步增强了其催化性能。相比之下，未负载La-PbO?的C-TOCNF/CGG则没有明显的纳米颗粒存在，说明电沉积工艺在形成La-PbO?纳米颗粒方面发挥了关键作用。

本研究的意义在于，通过利用生物质来源的水凝胶材料，开发出一种可持续的电催化材料。这种材料不仅解决了传统电极材料在制备过程中可能带来的环境污染问题，还通过优化结构设计，提升了其在废水处理中的应用潜力。此外，该材料的制备过程相对简单，适用于大规模生产和实际应用，为未来环保型水处理技术的发展提供了新的思路和方向。

综上所述，本文提出了一种基于碳气凝胶的新型电催化材料，其制备方法简便，性能优异，具有广阔的应用前景。该材料的开发不仅有助于提高废水处理的效率，还为减少环境污染和资源浪费提供了有效的解决方案。未来的研究可以进一步探索该材料在不同废水类型中的应用效果，并优化其制备工艺，以实现更高效、更经济的废水处理目标。