Pd/γ-MnO2 /Ni泡沫阴极高效电催化水溶液中氯酚类污染物的加氢脱氯机制及应用

本研究针对电催化脱卤技术中贵金属负载高、效率低的问题，设计出Pd/γ-MnO2 /Ni泡沫复合阴极，通过γ-MnO2 抑制Pd聚集并优化氢溢流路径，在120分钟内实现2-CP脱卤率>99%，且耐受高盐废水。该工作为卤代有机污染物的高效修复提供了新策略。

　　

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论文解读

氯酚类污染物因其高毒性和持久性成为环境治理难题，传统方法难以有效断裂碳-卤键（C?Cl键能高达222-456 kJ/mol）。电催化加氢脱氯（EHDC）技术虽能通过原子氢（H*）实现高效还原，但贵金属钯（Pd）的高成本、易聚集问题制约其应用。更棘手的是，副反应氢析出（HER）会消耗活性H*，降低效率。现有研究尝试用MnO₂
修饰Pd催化剂，却因晶相控制不足和机制不明而进展缓慢。

针对这些挑战，中国某研究团队在《Journal of Environmental Sciences》发表研究，设计出具有明确晶相的Pd/γ-MnO₂
/Ni泡沫阴极。通过水热法在镍泡沫上生长六方片状γ-MnO₂
（JCPDS 44-0142），再化学沉积Pd纳米颗粒，构建出三维多孔结构。该电极在10 mA电流下，120分钟内对2-氯酚（2-CP）和染料废水的脱卤效率超99%，且无需调节pH，耐受Cl^?
、NO₃
^?
等干扰离子。

关键技术方法

1. 水热-化学沉积法：控制MnSO₄
   /KMnO₄
   摩尔比3:2，140°C合成γ-MnO₂
   纳米阵列；
2. 密度泛函理论（DFT）计算：揭示γ-MnO₂
   促进H₂
   O吸附的限速步骤；
3. 电化学测试：通过线性扫描伏安法（LSV）和计时电流法评估HER抑制效果；
4. 实际染料废水验证：分析含多种卤代有机物的高盐工业废水处理效果。

研究结果

1. 电极表征：SEM显示γ-MnO₂
   六方片层有效分散Pd颗粒，XRD证实其晶相纯度。比表面积增大使Pd负载量降低至传统电极的1/3。
2. 性能优化：在pH 3-7范围内，脱卤效率均>95%。DFT表明γ-MnO₂
   通过吸附H₂
   O加速Volmer步骤（H₂
   O→H*+OH^?
   ），并通过氢溢流将H*从Pd传递至Ni基底，扩展反应区域。
3. 实际应用：处理含Cl^?
   （>500 mg/L）的染料废水时，电极寿命达20次循环未衰减，证实其工程化潜力。

结论与意义
该研究通过晶相调控和界面设计，首次阐明γ-MnO₂
在EHDC中的双重作用：既作为结构稳定剂防止Pd聚集，又作为氢转移媒介抑制HER。其创新性体现在：① 提出“氢溢流-晶相协同”机制，为非贵金属修饰提供理论依据；② 开发的电极在复杂水质中保持高效，推动高盐废水处理技术发展。这项工作为环境功能材料的定向设计提供了范例，被作者Ranyun Xu等称为“从原子尺度到工程应用的闭环研究”。