铁掺杂碳布阴极在生物电化学系统中降解染料的性能评估

本研究针对传统废水处理技术能耗高、化学药剂依赖性强等问题，开发了一种基于铁掺杂无粘结剂碳布阴极的生物电化学芬顿（BEF）系统，用于高效降解Chrysoidine Y染料。研究通过优化电极材料与反应条件（pH 3，750 Ω外阻），实现了73.14%的染料去除率和58.69%的总有机碳（TOC）削减，并通过GC-MS和植物毒性实验证实降解产物的环境安全性。该技术为纺织废水处理提供了可持续解决方案。

　　

纺织工业排放的染料废水是环境污染的顽疾，传统处理方法如活性污泥法（ASP）需消耗0.18-0.22 kWh/m³电能，而高级氧化工艺（AOPs）又面临化学药剂浪费和污泥二次污染问题。在此背景下，生物电化学芬顿（Bio-electro-Fenton, BEF）技术因其结合微生物产电与电芬顿反应的协同效应备受关注。该技术利用阳极生物膜中的产电菌（exo-electrogens）生成电子，驱动阴极室通过氧还原反应（ORR）产生H₂O₂，进而与Fe²⁺形成强氧化性羟基自由基（OH^•）。然而，传统碳阴极活性位点不足、H₂O₂产率低等问题制约了其应用效率。

为解决这一瓶颈，研究人员开发了铁掺杂碳布（Fe@CC）阴极。通过双步表面功能化（350°C预氧化+Fe(NO₃)₃超声负载）制备的电极，显著提升了电化学活性表面积（ECSA达2.478 cm²）和Fe³⁺/Fe²⁺循环效率。研究采用三电极系统进行电化学表征，结合气相色谱-质谱（GC-MS）分析降解产物，并通过鹰嘴豆发芽实验评估生态毒性。

Development and electrochemical characterization of Fe doped CC cathodes
通过对比不同Fe浓度（0.005-0.02 mM）掺杂电极的性能，发现0.01 mM Fe@CC的ECSA最高（2.478 cm²），其ORR选择性提升源于Fe活性位点对HOO^•中间体的强吸附。

Electrochemical characterization of electrode
线性扫描伏安法显示Fe@CC阴极的起始电位正移0.12 V，表明更快的电子转移速率。在pH 3、750 Ω条件下，系统H₂O₂累积量达15.7 mg/L·h，较传统碳布提高3.2倍。

Conclusion
该研究证实Fe@CC阴极通过三重机制协同作用：（1）Fe掺杂促进2电子ORR路径；（2）粗糙表面增加活性位点暴露；（3）Fe³⁺/Fe²⁺循环降低极化损耗。10小时内处理20 ppm染料废水时，能耗仅0.11 kWh/m³，且阴极在5次循环后性能保持率>90%。全基因组测序揭示阳极生物膜中Geobacteraceae菌属主导电子传递，为系统长期稳定性提供保障。

这项工作的创新性在于将过渡金属掺杂策略与BEF系统耦合，既避免了纳米材料合成的复杂性，又通过Fe的价态循环实现“自供能”催化。研究成果发表于《Bioelectrochemistry》，为工业废水处理提供了兼具高效性、经济性和环境友好性的技术范式。