新型光电催化水净化系统：同步去除水中有机污染物与重金属离子的突破性研究

编辑推荐：本研究针对全球水资源污染难题，创新性地构建了光电催化(PEC)三电极系统，通过碳工作电极与光催化剂对电极的协同作用，实现了有机污染物降解效率提升2.3倍（2小时降解98%的亚甲基蓝），同时完成铜(Cu2+)、铅(Pb2+)、镉(Cd2+)等重金属离子的同步回收。该系统成功集成微流控技术，为便携式水处理设备开发提供了新范式。

　　

水资源危机与污染治理是21世纪最严峻的全球挑战之一。当前全球超过20亿人缺乏安全饮用水，每年因水污染导致的死亡人数高达80万。传统水处理技术如吸附、膜过滤等存在效率低、二次污染等问题，而单纯的光催化技术又受限于电子-空穴对(electron-hole pairs)的快速复合。针对这些瓶颈问题，国内研究人员在《Research》发表了一项突破性研究，开发出新型三电极光电催化(PEC)水净化系统，通过巧妙设计电极配置和微流控集成，实现了有机污染物与重金属离子的协同高效去除。

关键技术方法包括：1)采用层层自组装(LBL)技术制备TiO₂/PSS光催化电极；2)通过500℃退火优化电极结构；3)构建H型电化学池比较传统与新型PEC配置；4)集成微流控芯片实现系统微型化；5)使用紫外-可见分光光度计和ICP-MS分别检测亚甲基蓝(MB)和重金属浓度。

结果部分核心发现：

1. 光催化电极表征与优化：XRD和Raman证实500℃退火后TiO₂保持锐钛矿相(anatase)，XPS显示碳含量从30.9%降至11.9%，SEM显示退火后TiO₂纳米颗粒排列更紧密。优化后的8双层PSS/TiO₂电极光电流提升82倍达65.7 μA/cm²。

2. PEC水净化系统：新型配置（石墨工作电极）在-1.0V时有机降解效率达纯催化的2.3倍，2小时内完全去除Cu²⁺，而传统配置仅去除72%。关键突破在于可还原传统PEC难以处理的Cd²⁺（还原电位-0.4V以下时效率>90%）。

3. 微流控PEC系统：在流速5ml/h、-0.8V条件下，对10μM MB和1ppm Cd²⁺的去除率分别超过95%和90%，验证了系统微型化的可行性。

结论与意义：该研究通过创新电极配置解决了传统PEC系统无法同时高效处理有机污染物与低还原电位重金属的难题。新型系统兼具高效性（有机降解提升2.3倍）和广谱性（涵盖Cu²⁺、Pb²⁺、Cd²⁺），其微流控集成方案为便携式净水设备开发奠定基础。这项工作不仅提供了新型水处理技术范式，更为大型PEC系统模块化设计提供了理论依据，对实现联合国可持续发展目标(SDGs)中的清洁饮水目标具有重要实践价值。