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全氟烷基和多氟烷基物质（PFAS）是环境中普遍存在的持久性有机污染物，其中 PFOS 极具代表性。研究人员针对电化学氧化（EO）处理 PFAS 时钛亚氧化物（TSO）阳极能效待提升问题，开展掺杂改性研究。结果显示，掺杂阳极性能提升，该研究对处理 PFAS 污染水意义重大。
在我们生活的环境中，有一种看不见却危害极大的 “隐形杀手”—— 全氟烷基和多氟烷基物质（PFAS）。PFAS 家族庞大，约有 15000 种化学品，凭借其防水、防油，化学和热稳定性强等特性，广泛应用于镀铬、电子制造、不粘锅生产等众多工业和消费领域。然而，它的这些优点却也带来了大麻烦。PFAS 中强大的碳 - 氟（C - F）键，使得它在环境中极难分解，成为了持久性有机污染物。长期以来，PFAS 的大量使用，导致它在自然水体等环境中广泛存在。更糟糕的是，它容易在生物体内蓄积，对人类和野生动物的健康造成诸多不良影响，比如引发肝脏损伤、肾脏癌症、甲状腺疾病等。常规的废水处理技术在面对 PFAS 时却显得力不从心，不仅难以有效去除，甚至可能因为前体化合物的分解，导致处理后水中的 PFAS 浓度不降反升。
为了解决这一棘手问题，电化学氧化（EO）技术应运而生。EO 技术具有能量效率较高、去除率高、稳定性好等优点，能够通过直接电子转移（DET）和产生活性氧物种（ROS）等多种机制氧化水中的有机污染物，在降解药物、持久性有机化合物等方面表现出色，还适合分布式水 / 废水处理。但是，EO 技术的广泛应用却被合适的阳极材料所限制。寻找具备高导电性、在强氧化环境下稳定、电化学电位窗口宽且成本合适的阳极材料，成为了科研人员亟待攻克的难题。
在众多研究中，Magnéli 相钛亚氧化物（TSO，化学式为 TinO2n - 1，4 < n < 10）脱颖而出，被视为有潜力的阳极材料。它是一种多孔陶瓷材料，不仅导电性好、稳定性高、比表面积大，还能低成本大规模烧结制备。以 Ti4O7为例，它具有较高的氧析出电位（OEP），在降解 PFAS 方面表现出了一定的优势。不过，为了实现对大量低浓度 PFAS 污染水的高效处理，进一步提高 TSO 阳极的能量效率迫在眉睫。
于是，来自国外的研究人员针对这一问题展开了深入研究。他们通过密度泛函理论（DFT）模拟，筛选出可能对 TSO 阳极性能有积极影响的掺杂元素，并采用机械合金化常用的方法，将掺杂金属氧化物与 Ti4O7粉末球磨混合后烧结，制备出掺杂铌（Nb - TSO）和铈（Ce - TSO）的 TSO 阳极。研究结果意义重大，该成果对于推动电化学氧化技术处理 PFAS 污染水的实际应用具有重要的指导价值，论文发表在《Chemosphere》上。
研究人员主要采用了以下关键技术方法：一是利用密度泛函理论（DFT）模拟，计算 PFOS 分子在掺杂和未掺杂 Ti4O7表面的吸附能以及 PFOS 分子吸附后的 C - S 键长，以此探究掺杂元素对 Ti4O7表面性质的影响；二是通过一系列实验表征手段，如对制备的阳极进行物理化学性质、电化学活性、电子结构和稳定性等方面的测试，深入分析掺杂对 TSO 阳极性能的影响。
下面来详细看看研究结果：
- DFT 模拟结果：通过计算 PFOS 分子在不同表面的吸附能（Ead）和 C - S 键长，研究发现某些元素掺杂能增强 Ti4O7表面对 PFOS 的亲和力和降解倾向，为后续选择掺杂元素提供了理论依据。
- 阳极性能测试：
- Nb - TSO 阳极：掺杂 Nb 后，阳极的电荷转移电阻降低，有效电活性表面积（EESA）增加。在 20mA/cm2的电流密度下，使用 Nb - TSO 阳极进行 EO 降解 PFOS 的能耗比 Ti4O7阳极降低了约 1.8 倍，降解速率更快。这表明 Nb - TSO 阳极通过增强直接电子转移（DET）和增加 EESA，显著提升了 PFOS 的降解效率。
- Ce - TSO 阳极：虽然 Ce - TSO 阳极的 EESA 相比原始 Ti4O7有所降低，但由于其氧析出电位（OEP）升高，产生了更多的羟基自由基，使得以 EESA 归一化后的 PFOS 降解速率显著提高。这说明 Ce 的掺杂引入了更多的活性位点，改变了阳极的电化学性能，从而提升了 PFOS 的降解效果。
- 阳极稳定性测试：掺杂后的 TSO 阳极在稳定性方面表现出色，使用寿命比原始 Ti4O7阳极更长，这为其在实际 EO 处理 PFAS 污染水的应用中提供了更可靠的保障。
研究结论表明，通过烧结掺杂 Nb 和 Ce 制备的 TSO 阳极，在处理 PFAS 污染水方面展现出了优越的性能。Nb - TSO 阳极通过降低电荷转移电阻和增加 EESA 提高了降解效率，减少了能耗；Ce - TSO 阳极则通过增加氧空位、提高 OEP 和产生更多羟基自由基，提升了降解速率。这两种掺杂阳极的使用寿命都得到了延长，为电化学氧化技术处理 PFAS 污染水提供了更高效、稳定的阳极材料选择。
在讨论部分，研究人员进一步强调了该研究成果的重要意义。一方面，为优化 TSO 阳极材料提供了新的思路和方法，即通过合理选择掺杂元素和采用烧结掺杂工艺，可以有效提升阳极的性能；另一方面，对于推动电化学氧化技术在处理 PFAS 污染水领域的实际应用具有重要的指导价值，有望解决长期以来 PFAS 污染难以有效治理的难题，为保障水环境安全和人类健康做出贡献。同时，该研究也为后续进一步深入研究 TSO 阳极的掺杂改性提供了理论和实践基础，激励科研人员不断探索，开发出更高效、更环保的处理 PFAS 污染的技术和材料。
