水热法制备rGO修饰球状PbO2电极高效电催化氧化As(III)的性能与机制研究

针对As(III)毒性强、传统去除技术效率低的难题，山西农业大学团队通过水热法制备了以还原TiO2纳米管阵列（RTNAs）为中间层、还原氧化石墨烯（rGO）修饰球状PbO2的新型电极（Ti/RTNAs/SL-PbO2-rGO）。该电极具有高氧析出电位（2.19 V）、强羟基自由基生成能力（38.06 mM/(min·m2)），60分钟内实现10 mg/L As(III)完全氧化为低毒As(V)，循环6次后氧化率仍超93%，为地下水砷污染治理提供了高效稳定的解决方案。

　　

砷（As）作为国际癌症研究机构认定的Ι类致癌物，其污染问题正威胁着全球70多个国家近2亿人的健康。尤其在地下水中，三价砷（As(III)）的毒性是五价砷（As(V)）的60倍，且因其电中性特性难以通过常规方法去除。传统吸附、混凝等技术对As(III)的去除率不足22%，而电催化氧化（EO）技术虽能实现价态转化，却受限于电极材料稳定性差、活性低等瓶颈。山西农业大学的研究团队在《Separation and Purification Technology》发表的研究，通过材料创新与工艺优化，为这一难题提供了突破性解决方案。

研究团队采用水热合成与电化学还原相结合的技术路径：首先通过阳极氧化和电化学还原制备导电性增强的还原TiO₂纳米管阵列（RTNAs）中间层；随后在水热条件下构建rGO修饰的球状PbO₂（SL-PbO₂-rGO）活性层；结合电子顺磁共振（EPR）和密度泛函理论（DFT）模拟揭示反应机制。

电极结构与性能表征
扫描电镜显示RTNAs中间层形成直径约100 nm的规整纳米管（图2a），球状PbO₂晶体均匀覆盖其表面（图2c）。X射线衍射证实rGO的引入使PbO₂晶粒尺寸从34.5 nm减小至28.2 nm。电化学测试表明，Ti/RTNAs/SL-PbO₂-rGO电极具有最低电荷转移电阻（2.69 Ω）、最高氧析出电位（2.19 V）和最大电化学活性面积（9.750 C/cm²），其羟基自由基生成速率达38.06 mM/(min·m²)，较未修饰电极提升2.1倍。

As(III)氧化性能研究
在电流密度4 mA/cm²、pH=3条件下，10 mg/L As(III)在60分钟内完全转化为As(V)。淬灭实验与EPR检测证实^·OH和SO₄^·-是主要活性物种。DFT模拟显示rGO掺杂降低了H₂O解离能垒（从1.58 eV降至0.72 eV），促进自由基脱附。电极在6次循环后仍保持93%氧化效率，加速寿命测试显示其使用寿命达412小时，较传统Ti/PbO₂电极延长6倍。

该研究通过多尺度结构设计（RTNAs中间层-rGO修饰-球状形貌）协同提升电极性能，不仅为As(III)污染治理提供新型材料，更为功能性电极开发提供了"导电基底-活性位点调控-形貌工程"的全链条设计范式。其环境效益通过生态毒性评估得到验证：处理后的水体发光菌抑制率从78.3%降至9.5%，显著降低生态风险。研究成果对实现《水污染防治行动计划》中砷污染控制目标具有重要实践意义。