从废弃的碱性电池到经过铜修饰的Mn3O4和MnO2纳米催化剂：在废水处理与绿色氢气生产中的应用

《Surfaces and Interfaces》：From Spent Alkaline Batteries to Cu-Decorated Mn3O4 and MnO2 Nanocatalysts for Wastewater Remediation and Green Hydrogen Generation

　　

Mohamed N. Goda|Laila S. Alqarni|Mostafa E. Salem|Mohamed Abd El-Aal

摘要

将废弃物资源可持续地转化为高性能功能性纳米材料，是解决环境污染和资源短缺问题的关键策略。在本研究中，研究人员成功从废弃的碱性电池中回收了基于锰的纳米结构，并分别通过热法和化学法将其转化为Mn₃O₄和MnO₂纳米颗粒。随后，利用L-抗坏血酸通过简便的原位还原方法制备了Cu修饰的纳米复合材料（Cu/Mn₃O₄和Cu/MnO₂），实现了金属Cu的均匀沉积。通过XRD、FTIR、TEM和XPS等手段对样品进行了结构和物理化学表征，确认了形成了纯相的氧化物，并且主要含有零价Cu，同时存在少量氧化态Cu。值得注意的是，Cu/Mn₃O₄在纳米尺度上的均匀性和分散性优于Cu/MnO₂（后者形成了较大且更不均匀的聚集体）。通过NaBH₄存在下催化4-硝基苯酚（4-NP）、吖啶黄和刚果红的还原反应来评估其催化性能。此外，这些催化剂还被用于从NaBH₄中催化生成H₂。结果表明，Cu/Mn₃O₄纳米复合材料表现出优异的催化活性：在2分钟内即可完全还原4-NP（k_app = 2.419 min?1），远优于原始的Mn₃O₄和MnO₂；同时，其对吖啶黄的快速降解（1分钟，k_app = 6.445 min?1）和刚果红的有效还原（5分钟）进一步体现了其卓越的催化效率。氢气生成实验表明，在使用0.3、0.5、0.7和1.0克NaBH₄的情况下，5%Cu/Mn₃O₄的氢气生成速率（HGR）分别为327、455、715和1071 mL min?1 g?1。反应温度对其催化性能也有显著影响：当温度从28°C升高到45°C时，HGR从455 mL min?1 g?1增加到2533 mL min?1。Arrhenius图显示5%Cu/Mn₃O₄催化剂的活化能为64.1 kJ mol?1，遵循伪一级动力学。其性能的提升归因于Cu和Mn之间的协同氧化还原作用、电子转移效率的提高以及由于Cu纳米颗粒分散良好而形成的高密度活性位点。本研究提出了一种可扩展且环境友好的方法，可将电池废弃物转化为高效纳米催化剂，这些催化剂在催化氢气生成和有机污染物还原方面表现出优异性能，展示了其在能源生产和废水处理应用中的潜力。