第一作者:Hyun Jeong Lim
通讯作者:Jae-Hong Kim
通讯单位:耶鲁大学
DOI:10.1021/acs.est.3c06156
基于过一硫酸盐(PMS)的电化学高级氧化工艺(EAOPs)近年来受到广泛关注,但人们对 PMS 活化的确切性质及其对整个工艺性能的影响仍然知之甚少。本研究首次证明了氧还原反应在有效利用 PMS 以及随后提高整体污染物修复效果方面所起的关键作用。我们观察到,在模型掺氮碳纳米管催化剂阴极活化 PMS 的过程中,通过氧还原同时生成了 H2O2。H2O2 生成和 PMS 激活之间复杂的相互作用,以及氧还原反应导致的电极附近局部 pH 值升高,形成了 SO4--/-OH 混合氧化环境,促进了污染物的降解。这项研究的结果突显了 PMS 驱动和 H2O2 驱动的 EAOPs 之间的独特依赖关系,并为进一步提高基于 PMS 的处理工艺提供了一个新的视角,这是一条以前未曾探索过的途径。
我们对基于 PMS 的 EAOP 过程中发生的阴极反应进行了深入研究,尤其侧重于评估不可避免的阴极 H2O2 生成如何影响 PMS 的活化和污染物去除性能。以前对基于 PMS 的 EAOP 的研究主要集中在 PMS 的活化,但很少考虑伴随 H2O2 生成的潜在复杂性以及涉及两种 AOP 前体的后续反应。我们介绍了 PMS 驱动的 AOP 与 H2O2 驱动的 AOP 之间的复杂相互作用,这是基于 PMS 的 EAOPs 独有的现象,与传统 AOPs 形成了鲜明对比,从而为这一前景广阔的技术的进一步开发和更稳健的工程设计提供指导。
Figure 1. (a) PMS decomposition and (b) pCBA degradation in the N-CNT cathode system. Conditions: 50 mM Na2SO4 (electrolyte), 25 μM pCBA, 2.5 mM PMS, ORR eliminated by N2 purging of the electrolyte (with N2 purging for the absence of ORR and without N2 purging for the presence of ORR), applied potential of −0.5 V, temperature of 25 ± 1 °C. LSV scans with varying amounts of PMS on the N-CNT cathode (c) with N2 purging (absence of ORR) and (d) with O2 purging (presence of ORR). LSV scans with varying amounts of PMS on the CNT cathode (e) with N2 purging (absence of ORR) and (f) with O2 purging (presence of ORR). Conditions: 50 mM Na2SO4 (electrolyte), 25 μM pCBA, 0, 1, 4, and 8 mM PMS, temperature of 25 ± 1 °C. Note that the ohmic drop was negligible in this system on the basis of the observation depicted in Figure S7.
Figure 2. (a) LSV ring and disk currents of bare glassy carbon, CNT, and N-CNT-deposited glassy carbon and (b) calculated H2O2 selectivity (%) from the results of panel a. (c) Electrochemically generated H2O2 concentration without N2 purging (presence of ORR) with the N-CNT cathode. Conditions: 50 mM Na2SO4 (electrolyte), 25 μM pCBA, 2.5 mM PMS, applied potential of −0.5 V, temperature of 25 ± 1 °C.
Figure 3. (a) pH of the electrolyte during electrolysis with and without N2 purging. Conditions: 50 mM Na2SO4 (electrolyte), 25 μM pCBA, 2.5 mM PMS, applied potential of −0.5 V, temperature of 25 ± 1 °C. (b) pCBA degradation and (c) PMS decomposition at different pH values of the electrolyte in the presence of ORR. (d) H2O2 concentration resulting from ORR with and without PMS. Conditions: 50 mM phosphate buffer (electrolyte) with different pH values (3, 5, 7, 9, and 11), 25 μM pCBA, 2.5 mM PMS, applied potential of −0.5 V, temperature of 25 ± 1 °C.
Figure 4. pCBA degradation with EtOH (50 mM) and TBA (50 mM) as radical scavengers in an electrolyte (a) in the presence of ORR without N2 purging and (b) in the absence of ORR with N2 purging. Without scavenger plots is the duplication of data in Figure 1b. (c) Generation of hTPA from the reaction of •OH and TPA in electrolysis with and without N2 purging. Conditions: 50 mM Na2SO4 (electrolyte), 25 μM pCBA, 2.5 mM PMS, 0.5 mM TPA, applied potential of −0.5 V, temperature of 25 ± 1 °C. (d) In situ EPR analysis of SO4•– and •OH in an electrolyte in the presence of ORR. Conditions: microwave frequency of 9.83 GHz, microwave power of 6.325 mW, modulation frequency of 100 kHz, modulation amplitude of 1.0 G, sweep time of 30 s, 50 mM Na2SO4 (electrolyte), 2.5 mM PMS, 100 mM DMPO, applied potential of −0.5 V, temperature of 25 ± 1 °C.
Figure 5. pCBA degradation with PMS and varying H2O2 (a) without the electrode and (b) with current in the absence of ORR (with N2 purging). Conditions: 50 mM Na2SO4 (electrolyte), 25 μM pCBA, 2.5 mM PMS, 1, 2.5, 5, and 10 mM H2O2, 5 mM for H2O2 only condition, applied potential of −0.5 V, temperature of 25 ± 1 °C. (c) H2O2 decomposition in the mixture with PMS and Co ion. Conditions: background solution of 50 mM Na2SO4, 2.5 mM PMS, 1 mM H2O2, 50 μM Co2+, initial pH adjusted to 7.
Figure 6. Schematic of the interaction pathway and reactive species in the PMS-based EAOP in the absence and presence of ORR.
过一硫酸盐驱动的 AOP(包括基于 PMS 的 EAOP)被广泛应用于利用 SO4 的强氧化能力。在许多应用场景中,混合氧化剂都发挥了重要作用,例如,-OH 克服了 SO4 的选择性,扩大了目标污染物的范围。(3,55) 虽然 H2O2 是 H2O2 驱动的 AOPs 中的主要反应物,但过去很少有研究将基于 PMS 的 AOPs 与基于 H2O2 的 AOPs 放在同一背景下讨论;相反,基于 PMS 的 AOPs 更多地被作为基于 H2O2 的 AOPs 的一种独特替代物。从这个角度来看,我们的研究结果指向了一个有趣的交叉点,即基于 PMS 的 AOP 可以从基于 H2O2 的 AOP 中获益,例如,通过与 H2O2 合作来增强基于 PMS 的(E)AOP。这要归功于一种寄生补充物,它消除了化学添加 H2O2 的需要,说明了利用 EAOPs 中常见的复杂相互作用来增强 EAOP 系统的简化方法。此外,与工作 pH 值有限(如 H2O2 驱动的 AOP 为微酸性)和依赖异质过渡金属催化剂(如金属浸出、催化剂的物理分离或回收以及产生污泥废物)的传统 AOP 和一般电-芬顿水处理系统相比,我们的研究结果具有优势。我们相信,如图 S18 所示,通过将本研究获得的见解应用于能够激活 PMS 和促进 ORR 的实用且可扩展的电极材料,可以扩展到 CNT 之外的更广泛的电催化材料。不过,必须注意避免过量的 H2O2,以免淬灭自由基(例如,图 5b 中 10 mM H2O2 会降低 pCBA 的分解动力学),(70-72)因为碳质阴极很容易产生过量的 H2O2。
请注意,我们在此只关注阴极反应。基于 PMS 的 EAOP 通常使用无膜电池,由于会发生污染物的直接电子转移氧化和阳极上的活性氯演化等反应,其整体性能可能会更加复杂。(9,73)更重要的是,水氧化(等式 3 和 4)可生成 -OH (20),硫酸盐氧化(等式 5)可生成 SO4--(21,22),这将直接影响我们研究中讨论的化学反应。我们还怀疑机理会因电极材料类型的不同而发生重大变化,这决定了表面氧化还原反应(如 ORR 和 HER)的动力学。未来的研究需要考虑这些额外的因素,并进一步努力确定策略,以最大限度地发挥涉及不同前驱体的看似不同但又高度相关的 AOP 方案所产生的协同作用。
Peroxymonosulfate-Based Electrochemical Advanced Oxidation: Complication by Oxygen Reduction Reaction H. J. Lim, D. J. Kim, K. Rigby, W. Chen, H. Xu, X. Wu, et al. Environmental Science & Technology 2023 https://doi.org/10.1021/acs.est.3c06156
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