网络首发||马金星教授：基于合成电化学技术的水中污染物增值转化研究进展
文摘
科学
2025-01-08 11:40
浙江
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1. 对合成电化学技术的原理和机制进行了介绍，该技术具备在温和环境下回收利用低值污染物的优势，并对其在高值转化5-羟甲基糠醛、木质素、甘油、葡萄糖以及其他难降解污染物方面的研究进展进行了系统梳理。
2. 深入探讨并揭示了催化剂微观结构、反应环境与污染物转化反应效率和选择性之间的结构-效应关系，为设计高效的电化学污水处理与增值产物回收耦合系统提供了指导。
3. 针对当前合成电化学技术在污染物资源化方面所面临的挑战，提出了未来研究的展望，旨在推动以降碳减污和合成增值产物为核心目标的合成电化学技术的研发与应用。
马金星，广东工业大学生态环境与资源学院副院长，教授、博士生导师，国家优青（海外）、广东省杰青项目获得者。围绕污水再生与安全利用保障开展研究工作，获国家/国际发明专利授权20余项，发表SCI收录论文150余篇（自然指数NI检索53篇），H指数为55；担任多本TOP SCI期刊编委、国际水协会中国青年委员会委员、广东省茂名市田家炳中学科学副校长；2019年至今连续入选“全球前2%顶尖科学家；荣获广东青年五四奖章、环境保护技术发明二等奖、Environmental Science & Technology 2023及ACS ES&T Engineering 2022年度卓越审稿人奖，澳大利亚Top 40青年科学家称号。指导学生获中国国际大学生创新大赛（2024）国赛银奖，第十六届全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛二等奖、第十八届全国环境友好科技竞赛华东赛区一等奖等多项省级以上竞赛奖励。何宽畅1，冯诗洋1，杨文剑1，杨奎1,2，尹征3，何燕生3，马金星1,*1. 广东工业大学 生态环境与资源学院 大湾区城市环境安全与绿色发展教育部重点实验室
2. 北京师范大学珠海校区 环境与生态前沿交叉研究院
3. 河北建滔能源发展有限公司
1. 国家重点研发计划资助项目（2022YFC3901304）
2. 国家自然科学基金资助项目（52470028）
3. 广东省自然科学基金-杰出青年资助项目（2022B1515020053）
合成电化学技术因其能够在外电场的驱动下将低价值反应物转化为高价值产物，提供了水中污染物高效转化的创新途径。同时，污染物氧化反应作为电解水析氧反应的替代，可以实现增值产物和氢气的同步回收，有望解决传统工艺中污染物降解过程能耗高等问题。首先详细阐述合成电化学技术的机制，随后以5-羟甲基糠醛、木质素、甘油、葡萄糖及其他具有代表性的污染物作为综述对象，分析并总结了该领域相关工作的研究现状。通过梳理催化剂表面结构的设计、反应体系条件的调控及污染物转化反应的活性和选择性之间的联系，揭示了催化剂与污染物转化之间的构-效关系，为开发高活性催化剂以促进污染物增值转化提供了理论支撑。此外，还对合成电化学技术和其他技术生成的产物进行了技术经济分析，并讨论了如何抑制可能存在的干扰目标污染物转化反应以及降低增值产物纯度的副反应，为支撑合成电化学技术的经济适用性提供了有力证据。最后，还探讨了该领域面临的挑战和未来的发展前景。随着世界经济发展水平的不断提升，频繁的人类生产活动对清洁水资源的消耗量急剧增长。由于全球淡水资源仅占总水量的2%，为保障清洁水资源的持续供应，以实现水资源可持续利用为核心目的的污水处理工艺发挥了关键作用。然而，目前污水处理工艺以达标排放为最终目标，仍存在污染物降解过程能耗高、温室气体排放量大等严峻问题，进一步加剧了全球气候变暖和能源危机等挑战。为缓解以上危机，我国提出了“双碳”政策，力争在2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和。在“双碳”政策的指导下，传统污水处理技术亟须进行变革。因此，近年来污水低碳减污同步资源回收的理念被广泛接受，推动污水管理模式逐渐从末端处理工艺向低碳减污同步合成增值产物工艺转变。合成电化学技术具有在低能耗下驱动低值反应物向增值产物转化、原子效率高和经济性优等核心优势，被国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）评为化学领域的2023年度十大新兴技术之一，可为污水低碳减污同步资源回收提供高效和创新途径。目前已有关于含5-羟甲基糠醛（HMF）、木质素、甘油、葡萄糖或某些难降解污染物废水的增值转化研究案例。以上低值反应物可通过不同转化反应生成不同增值产物，如甘油可通过氧化反应生成含不同碳原子个数的产物（如C1产物甲酸、C2产物草酸和C3产物甘油酸）。然而，产物种类的可控性与反应物增值转化反应发生位点等因素密切相关，尤其是C2和C3产物，前者要求催化剂仅对甘油的C—C键进行部分氧化断键反应，后者则要求保留C—C键且氧化反应仅发生在甘油的醇基团，这说明实现污水低碳减污同步高效资源回收的关键点主要在于如何准确控制反应物发生氧化程度或位置，以提高反应的选择性。基于这个共识，为提高增值产物的产率，近年来合成电化学的前沿研究主要着重于增值产物生成反应的过程设计、高选择性/活性电催化剂的开发以及电化学反应体系运行条件的精准调控。综上所述，由于利用合成电化学技术实现污染物增值转化符合污水低碳减污协同资源化的核心目标，具有广阔的应用前景。本文通过综述该领域的最新进展，重点聚焦于如何进行合理的污染物转化反应的设计；阐述催化剂结构、反应条件与污染物转化的活性和选择性的联系，揭示催化剂与污染物转化之间的构-效关系，厘清增值产物生成反应活性提升的机理。针对目前该领域面对的挑战，为设计高效的电化学污水处理-增值产物回收耦合系统提供指导意见，对未来发展方向进行展望。![]()
图1 电化学体系降解水中污染物同步回收增值产物示意图
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何宽畅, 冯诗洋, 杨文剑, 杨奎, 尹征, 何燕生, 马金星. 基于合成电化学技术的水中污染物增值转化研究进展[J/OL]. 能源环境保护: 1-13[2025-01-07]. https://doi.org/10.20078/j.eep.20241206.
HE Kuanchang, FENG Shiyang, YANG Wenjian, YANG Kui, YIN Zheng, HE Yansheng, MA Jinxing. Research progress of transforming wastewater contaminants into valuable products via synthetic electrochemical technologies[J/OL]. Energy Environmental Protection: 1-13[2025-01-07]. https://doi.org/10.20078/j.eep.20241206.
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《能源环境保护》创刊于1987年，双月刊，ISSN 2097-4183/CN 33-1264/X，是由中国煤炭科工集团有限公司主管、中煤科工集团杭州研究院有限公司主办的环境类学术期刊。主编由中国工程院高翔院士担任。主要刊载与能源环境保护有关的基础科学、技术科学及其交叉学科领域的学术论文。已被瑞典开放存取期刊目录（Directory of Open Access Journal，DOAJ）、美国《化学文摘》（Chemical Abstracts, CA）、俄罗斯《文摘杂志》（AJ，VINITI）、美国《乌利希期刊指南》（Ulrichweb）、欧洲学术出版中心（EuroPub）等数据库收录，连续6年入选《煤炭领域高质量科技期刊目录》T2级。在“双碳”目标下，将进一步聚焦学术前沿、荟萃科学发现、追踪最新动态、汇集最佳成果，推进降碳、减污、绿色低碳发展。
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编辑｜姚情璐
审核｜金丽丽
