气体扩散电极集成式电化学辅助气液吸收系统设计与应用：挥发性有机物高效降解新策略

为解决挥发性有机物(VOCs)污染气体处理难题，西班牙卡斯蒂利亚-拉曼查大学团队创新性地将气体扩散电极(GDE)集成于电化学辅助吸收系统，开发出兼具气体分散与H2O2原位生成功能的双效阴极。通过3D打印技术构建反应器原型，验证了33.5%苯降解率与0.408 mmol/L稳态H2O2产量，为气态污染物治理提供了过程强化新方案。

　　

随着工业化进程加速，挥发性有机物(VOCs)污染已成为严峻的环境挑战。传统气态污染物处理技术存在氧化剂运输损耗、能效低下等瓶颈，特别是对于低浓度VOCs的治理往往面临经济性与技术性的双重困境。在此背景下，西班牙卡斯蒂利亚-拉曼查大学(University of Castilla-La Mancha)的研究团队在《Journal of Cleaner Production》发表创新成果，通过将气体扩散电极(Gas Diffusion Electrode, GDE)与电化学系统集成，开发出可同步实现污染物吸收与电化学氧化的新型反应器。

研究团队采用多学科交叉的研究方法，首先运用计算机辅助设计(Fusion 360)构建反应器三维模型，通过立体光刻3D打印技术(Form3 SLA打印机)制备树脂构件。关键创新在于采用热压法制备碳基GDE阴极，其独特的孔隙结构既作为气液传质界面，又催化氧还原反应(ORR)生成H₂O₂。实验系统配备钛基混合金属氧化物(Ti/(RuO₂)_0.8(Sb₂O₄)_0.2)阳极，通过高速摄像技术定量分析气泡动力学特征，并采用紫外分光光度法与碘量法分别测定H₂O₂和总氧化剂浓度。

3.1 概念选择阶段
通过SWOT分析对比水平与垂直电极构型，发现水平电极布局虽需复杂密封，但具有更优的电流分布与气泡控制能力。定量评估显示水平构型在电化学性能、机械稳定性等四项指标中总分15/20分，显著优于垂直构型的11分。

3.2 原型设计与构建
优化后的反应器采用20mm极距设计，可消除气泡聚集导致的电压波动(原1.5cm间距时电压波动达30V)。高速摄像显示GDE产生的气泡呈双峰分布(50与100 mL/min流量下平均直径分别为0.95±0.37mm与0.84±0.41mm)，气泡生长-脱离周期为1.26秒。

3.3 原型性能验证
在50mA/cm²电流密度下，系统实现0.408mmol/L H₂O₂稳态产量，总氧化剂浓度更高暗示阳极协同产生其他活性物种。苯的气相降解率达33.5%，液相色谱检测到草酸(6.16mg/L)、马来酸(2.94mg/L)等中间产物。

3.4 经济性分析
单台原型机成本4096.7欧元中设计验证占47.4%，但规模化生产(100台)可使单价降至500欧元以下，材料成本占比从3.5%提升至16%，体现显著的规模效应。

该研究通过GDE与电化学系统的创新集成，突破了传统气态污染物处理的技术瓶颈。其价值体现在：(1)过程强化方面，将吸收与氧化单元合二为一，避免氧化剂传输损耗；(2)工程技术方面，3D打印实现复杂流道精准控制；(3)经济性方面，规模化生产具有显著成本优势。特别值得注意的是，GDE的双功能设计为开发"自供氧"型污染治理系统提供了新思路，未来通过优化电极孔隙结构与催化剂负载，有望进一步提升VOCs降解效率与能源利用率。这项发表于《Journal of Cleaner Production》的研究，为工业废气治理提供了兼具学术创新性与工程实用性的解决方案。