第一作者：Qiufang Yao
通讯作者：陈家斌 教授
通讯作者：周雪飞 教授
通讯单位：同济大学环境科学与工程学院
DOI:10.1021/acsestwater.1c00333
制造了一个使用 P 和 N 共掺杂碳材料 (PCN) 作为粒子电极的三维 (3D) 电解电池，用于在不添加氧化剂作为前体的情况下通过单线态氧 (1O2) 对水进行有效净化。结果表明，磺胺甲恶唑（SMX）在3D电解过程中的降解速度是常规二维（2D）电解过程的7.68倍，而3D模式下的能耗仅为后者的0.37倍。SMX 的快速降解主要是由于在 3D 模式下产生的活性氧 (ROS)。电子自旋共振 (ESR) 技术和清除实验表明 1O2 而不是自由基物种有助于 SMX 降解。1O2 是通过一系列超氧化物介导的链式过程产生的，该过程由阴极上的氧还原反应 (ORR) 引发，随后由阳极和 PCN 上的 H2O2 氧化终止。3D 模式下的 SMX 降解几乎不受水基质的影响，并且在合成新鲜尿液和模拟医院废水中保持高效率。此外，PCN 在五次循环后表现出高结构稳定性和反应性。因此，这项工作为在水处理过程中产生 1O2 用于污染物降解提供了一种有前景的策略。
在此，我们开发了一种以 P 和 N 共掺杂碳材料 (PCN) 作为粒子电极的 3D 电解电池，可在不添加 PMS、PDS 或 H2O2 等化学前体的情况下有效生成 1O2。磺胺甲恶唑 (SMX) 的降解用于评估 3D 模式对水净化的性能。结果表明，SMX在3D电解过程中的降解速度是2D电解过程的7.68倍，而3D模式下的能耗仅为2D模式下的0.37倍。基于3D模式下O2•-等ROS的一系列氧化还原链反应，推导了逐步电催化生成1O2的机理。最后，进一步研究了水基质的影响和 PCN 的可重复使用性，结果表明 3D 模式非常适用于废水处理。总体而言，我们的研究结果展示了一种基于 3D 电解的 1O2 生成新范例，无需添加用于废水处理的化学前体。
图 1. (a) SEM 图像，插图提供水接触角 (CA)；(b) XRD 图案；(c) 拉曼光谱；(d) PCN 的 N2 吸附和解吸等温线。
图 2. (a) Pt、BDD 和 GF 阳极的 2D 系统以及 GF 阳极和 PCN 的 3D 系统中 SMX 降解的 kobs 和 EC 和 (b) 各种颗粒的 3D 系统中 SMX 降解的 kobs 电极：分别为CN、PC、PCN、CNT和super C。
图 3. (a) 各种猝灭剂对 SMX 降解的影响和 (b) 在去离子水中存在 p-BQ (100 mM) 或 H2O2 (100 μM) 时 1O2 的 ESR 光谱 (Black Heart Suit 和●) 分别归因于 1O2 和 BQ•–，因为 ESR 信号重叠）。
方案 1. 提出的 3D 模式下 1O2 生成和 SMX 降解机制
图 4. (a) 去离子水、合成 FU 和模拟 HWW 中 3D 模式下的 SMX 降解和 (b) PCN 在 3D 模式下对 SMX 降解的耐久性。
图 5. (a) ECOSAR 计划预测的 SMX 及其转化产物对鱼类、水蚤和绿藻的毒性和 (b) 母体化合物标准溶液和处理后样品对大肠杆菌的灭活：线代表抑制 剩余的母体化合物，圆点代表样品观察到的抑制作用。
使用 PCN 进行的 3D 电解表现出对有机污染物的出色降解以及去离子水和真实基质中的低能耗。PCN在多轮回收后也表现出高稳定性和可重复使用性。1O2被确认为有助于SMX在3D模式下降解的主要活性物质。研究了SMX的转化动力学和途径以及相应的生态毒性变化，进一步证明了SMX去除在3D模式下是一种环境友好的过程。与其他金属基 AOP 或 EAOP 相比，由于缺乏溶解的金属离子，具有 PCN 的 3D 模式可能是一种绿色替代方案。同时，在不添加 PMS、PDS 或 H2O2 等化学前体的情况下，使用 PCN 进行 3D 电解可以节省一些成本，同时也突出了其高效生成 1O2 的应用潜力和环境修复潜力。所有这些结果表明，这项工作可以为有效和绿色原位无金属 1O2 生成和环境修复的扩展研究提供新的见解。
Qiufang Yao，Qiufang Yao, Jiabin Chen*, Zewei Hao, Yalei Zhang, and Xuefei Zhou* Novel Three-Dimensional Electrochemical Reactor with P and N-Codoped Activated Carbon for Water Decontamination: High Efficiency and Contribution of Singlet Oxygen. ACS ES&T Water, 2022,
https://doi.org/10.1021/acsestwater.1c00333
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