基于固体聚合物电解质的无金属异相电芬顿系统：一种自支撑降解PPCPs的创新策略

为解决传统电芬顿(EF)技术在自然水体中导电性差、金属离子溶出等问题，研究人员开发了结合固体聚合物电解质(SPE)的无金属EF系统(EF-SPE)。通过氮掺杂碳阴极实现高效原位H2O2电生成与活化，在pH 3-9范围内实现卡马西平(CBZ)降解半衰期10分钟(k=0.052 min?1)，矿化能耗仅6.73 kWh·m?3。该技术为自然水体中药物及个人护理品(PPCPs)的可持续净化提供了新方案。

　　

随着药物和个人护理品(PPCPs)在水环境中的广泛检出，其对生物内分泌系统的干扰效应引发全球关注。传统电芬顿(EF)技术虽能高效降解这类污染物，却受限于必须使用金属催化剂、需酸性环境及添加支持电解质等瓶颈问题。金属离子溶出可能造成二次污染，而自然水体的低电导率更导致能耗激增。如何开发环境友好型EF系统，成为水处理领域亟待突破的科学难题。

针对这一挑战，中国的研究团队在《Journal of Environmental Chemical Engineering》发表创新成果，提出将固体聚合物电解质(SPE)与无金属电极相结合的新型EF-SPE系统。研究采用聚苯胺衍生氮掺杂碳纳米纤维电极，通过原位电聚合和煅烧工艺构建具有分级孔道的阴极材料，同时筛选全氟磺酸型SPE（以Nafion?N324最优）实现质子选择性传输。通过电子顺磁共振(EPR)和密度泛函理论(DFT)计算揭示：石墨氮(graphitic N)主导2电子氧还原反应(2e^?ORR)生成H₂O₂，吡啶氮(pyridinic N)则促进H₂O₂转化为羟基自由基(•OH)。

关键技术包括：(1) 通过电沉积-煅烧法制备氮掺杂碳阴极；(2) 采用膜电极组件(MEA)构建EF-SPE反应器；(3) 结合高效液相色谱(HPLC)与总有机碳(TOC)分析评估降解效率；(4) 利用EPR捕获活性氧物种；(5) 通过DFT计算阐明活性位点作用机制。

【Characterizations of the modified electrodes】
扫描电镜显示煅烧后电极(cPANI/GF-800)形成互连的宏观孔纳米纤维网络，X射线光电子能谱(XPS)证实其含氮量达6.38%。拉曼光谱中ID/IG=1.05表明材料具有丰富缺陷位，这些特性共同促进电子转移与催化活性。

【Electrochemical performance】
在0.1 M Na₂SO₄中，cPANI/GF-800的H₂O₂产率达3.2 mg·L^?1·h^?1，较原始石墨毡(GF)提升8倍。SPE系统在自来水中的能耗较传统EF-AS系统降低67%，证明其适应低电导水体的优势。

【Degradation performance】
对CBZ的降解实验显示，EF-SPE在pH 7时的速率常数(k=0.052 min^?1)是EF-NAS系统的13倍。质谱(LC-MS)鉴定出羟基化和开环等7种中间产物，生态结构活性关系(ECOSAR)模型预测毒性降低82%。

【Practical applicability】
在河水、湖水等实际水体中，该系统对奥卡西平、阿莫西林等5种PPCPs的去除率均>90%，且连续运行10次后活性保持95%以上，展现优异稳定性。

该研究突破传统EF技术多重限制：(1) 无金属设计消除离子溶出风险；(2) SPE实现自然水体直接处理；(3) 宽pH适应性免除了酸碱调节需求。通过分子层面揭示氮掺杂碳材料的双功能催化机制，为发展绿色高级氧化技术提供新范式。团队提出的"自支撑"理念，即系统不依赖外部添加试剂与电解质的特性，对开发下一代水处理装置具有重要指导价值。这种将能源材料科学与环境工程相融合的研究思路，也为解决其他难降解污染物治理问题开辟了新途径。