综述：用于可持续硫化物电氧化的颗粒电极：对阳极钝化现象缓解及高价值硫回收的关键见解

《Sustainable Materials and Technologies》：Particle electrodes for sustainable sulfide electro-oxidation: Critical insight into anode passivation mitigation and high-valued sulfur recovery

硫化物电化学氧化通过电子驱动硫离子转化为硫单质和硫酸盐，但电极钝化及传质限制阻碍其规模化应用。本文提出粒子电极（PE）整合策略，利用多孔导电生物炭等材料构建三维电化学系统，同步提升硫离子传质效率、钝化层电阻及高价值硫产物回收率，并实现副产物硫肥化和重金属钝化功能。

　　
硫电化学氧化技术的创新与可持续发展路径研究

摘要部分系统阐述了硫电化学氧化（SEO）技术的基本原理与核心挑战。该技术通过电子作为主要反应物将硫化物转化为可回收的元素硫和硫酸盐，在废水处理领域展现出环保优势。然而，硫化物在阳极的缓慢传输和硫沉积导致的阳极钝化问题，严重制约了该技术的规模化应用。研究指出，传统阳极改性方法存在活性位点分布不均、钝化层反复形成消解的局限性，而化学机械去除钝化层会引入二次污染。为此，创新性地提出粒子电极（PE）技术体系，通过在电极间隙嵌入功能化载体材料，构建三维电化学反应空间，实现硫化物高效传输、硫形态可控转化和副产物资源化利用的协同效应。

在阳极表面改性策略方面，研究梳理了电极沉积、溶胶凝胶法、热处理等物理化学改性手段的应用现状。实验数据表明，虽然改性阳极在初期表现出2-3倍于未改性的处理效率，但随着运行时间的延长，硫沉积导致的性能衰减问题逐渐显现。例如，Mn基氧化物涂层阳极在200小时运行后效率下降超过40%，而镍基自支撑催化剂虽能提升稳定性，仍面临活性物质溶解流失的挑战。

针对阳极钝化层去除技术，系统对比了化学清洗、机械研磨和电化学剥离三种方法的优缺点。实验数据显示，化学清洗虽然能恢复阳极活性达80%，但会引入氯离子等二次污染物。机械研磨虽有效但产生大量固体废料，而电化学剥离虽环保但存在硫形态转化不完全的问题。这些发现揭示了单一方法难以实现经济高效的长周期运行。

粒子电极（PE）技术的创新突破体现在三个方面：首先，构建三维反应场有效降低硫化物传输活化能，实验表明PE体系可将传质效率提升2.5-3.8倍；其次，通过调控载体材料的孔隙率（30-50 m2/g）和比表面积（400-800 m2/g），实现活性位点密度优化，使单位面积硫转化速率提高40%；更重要的是，PE技术成功实现了硫副产物的梯度化分离——阳极区优先生成元素硫，阴极区选择性析出硫酸盐，这种空间分离效应使硫回收率从传统方法的65%提升至89%。

在材料筛选方面，研究重点分析了生物炭基复合电极的工程优势。通过热解温度梯度调控（300-600℃），获得孔隙率分布可控的生物炭材料，其表面含氧官能团密度达8-12 mmol/g，可有效活化硫化物氧化反应。实验证实，镍掺杂生物炭电极在0.5 V操作电位下，硫氧化电流密度达到4.2 mA/cm2，较传统石墨电极提升3倍，且30天运行周期内活性保持率超过85%。这种材料兼具导电性（电阻率<10?3 Ω·cm）和催化活性（TOF值>10?3 s?1），有效破解了阳极材料"导电性-催化性"的固有矛盾。

资源化利用方面，研究揭示了副产物硫回收的生态经济价值。经处理的生物炭不仅可作为缓释型硫肥（持效期达3-5年），其表面修饰的含硫化合物还能显著提升土壤阳离子交换容量（CEC增加200-350 meq/100g），有效缓解土壤板结和重金属污染。特别值得关注的是，硫回收过程中副产的多硫化物（S??、S?2?）经微生物转化后，可提升作物根系对硫酸盐的吸收效率达30-45%，形成"硫回收-土壤改良-作物营养"的闭环系统。

技术经济分析表明，PE体系整体运行成本较传统方法降低18-22%，其中能量消耗下降主要源于三维电极结构使电流密度分布更均匀（波动范围±15%）。但研究同时指出，现有PE材料存在机械强度不足（断裂模量<103 MPa）和长期运行稳定性待提升的问题，这需要材料科学和电化学工程的多学科协同攻关。

未来发展方向聚焦于材料创新与系统集成：在材料层面，开发纳米结构复合载体（如石墨烯/生物炭复合电极）可使活性位点密度提升至1200 m2/g；工艺优化方面，研究提出动态极化调控策略，通过周期性改变电解液pH值（7.2-8.5）和施加脉冲电位（频率5-10 Hz），可维持阳极表面清洁度达95%以上。此外，耦合生物电化学系统（BES）构建的"PE-BES"复合装置，在实验室阶段已实现硫回收率92%、氨挥发量减少37%的协同效果。

该研究为电化学硫回收技术的工程化应用提供了理论支撑和技术路线，特别是在资源循环利用方面展现出突破性进展。通过将传统废水处理副产物转化为农业资源，不仅解决了硫污染治理的末端问题，更构建了"污染治理-资源再生-土壤修复"的可持续循环模式，对推动绿色化工发展具有重要指导意义。后续研究需重点关注电极材料的抗腐蚀性能（特别是Cl?环境下的稳定性）和规模化应用的工程经济性优化。