通过在泡沫铜上原位重建 Cu2O/Cu 电活性纳米催化剂实现高效稳定的电化学硝酸盐去除

文献题目：Achieving efficient and stable electrochemical nitrate removal by in-situ

reconstruction of Cu2O/Cu electroactive nanocatalysts on Cu foam

文献期刊：Applied Catalysis B: Environmental

IF：24.319

Pub Date : 2022-07-30

DOI: 10.1016/j.apcatb.2022.121811

在泡沫铜基板上生长的 3D 结构化 Cu2O/Cu 纳米棒的合成过程示意图。

以泡沫铜原位生长的Cu(OH)2纳米棒阵列作为前驱体，通过高温热处理转化成Cu2O纳米棒。在电化学NO3−RR过程中，部分Cu2O在还原电势下会转化成Cu，从而形成稳定的Cu2O/Cu重构产物。XPS和AES证实了Cu2O/Cu的存在，且界面处存在电子转移，说明Cu作为活性物种可以直接还原硝酸盐。

cu2O/Cu NRs/CF 由于其 3D 结构具有丰富的活性位点，可以有效地从水溶液中去除 NO3−-N，而泡沫铜对 NO3−-N 的去除效果比Cu2O/Cu NRs/CF 正极。随着施加电位的增加，Cu2O/Cu NRs/CF 阴极上的 NO3−-N 去除率相应增加。在 60 分钟内去除了 43.50%、91.32%、98.46% 和 99.61%，电位分别为 - 1.2 V、- 1.4 V、- 1.6

V 和 - 1.8 V。

施加的负电位越多，产生的电子和原子 H* 就越多，从而通过直接和间接还原途径促进 NO3−-N 还原 。然而，在-1.6 V和-1.8 V等较低电位下，在阴极上观察到大量氢气泡。HER可能会阻碍电子和NO3-向电极表面的传输，从而导致NO3- -N去除能耗高。

3D Cu2O/Cu NRs/CF电极作为一种无粘合剂的电极材料，与粉末材料相比具有显着优势，因为它们可以直接作为电催化剂，有效避免界面电子转移阻力和聚合物引起的电催化覆盖。活性位点。

IS 测量以研究界面电子转移动力学:电荷转移电阻 Rct 与电催化动力学有关，值越低，反应速率越快。从图 4d 中的电弧直径可以看出，Cu2O/Cu NRs/CF 的 Rct 低于 Cu 泡沫，表明反应速率更快，NO3-RR 电催化性能更好 ，这与上述去除效率结果一致。此外，在低频区域表现出更快的传质可以促进反应物迁移和扩散，从而加速 NO3- 到 NO2- 的限速步骤。因此，足够的活性位点、高的界面电子转移效率和合适的应用电位对于确保 Cu2O/Cu NRs/CF 阴极对电化学 NO3-RR 的电催化性能至关重要。

研究了 NaCl 浓度对 NO3-N 转化、NO2-N 生成、NH4+-N 生成和 N2 选择性的影响。在没有 Cl- 的情况下，NO3-N 的去除效率达到 100%，而在 Cl- 存在的情况下不受影响。 NO2−-N 积累在 30 分钟内达到 12.84 mg·L−1 的最大浓度，然后随着电解时间的增加而降低，最终 NO2−-N 浓度可忽略不计。同时，NH4+-N的选择性不断提高，最终在120 min内达到84.74%。因此，Cu2O/Cu NRs/CF 阴极在含有 0.1 mol·L−1 NaCl 的水中最有效地完全去除 NO3−-N。

其他催化系统相比，基于重构的 Cu2O/Cu 电催化剂的电催化系统表现出最高的 NO3−-N 去除效率和 N2 选择性。 Cu2O/Cu 电催化剂表现出强烈的 NO3- 吸附和高效的电子向 NO3- 的转移，通过 Cl- 的阳极氧化产生活性氯有利于氨的氧化并提高 N2 的选择性。此外，我们设计的电催化系统在处理效率方面具有无可比拟的优势，比其他系统更适合实际应用

Cu2O/Cu NRs/CF电极处理实际硝酸盐污染废水显示出高效性、长期稳定性和低能耗，使其具有广阔的工程应用前景

自由基捕获与清除实验证实了原子H*在电化学NO3−RR过程中的间接贡献。DFT计算表明，重构产物中Cu2O是H2O解离产生H*和吸附H*的主要活性位点。催化剂表面*NO3的快速吸附、活性物种Cu的生成和充足的H*供应是该电催化系统反应动力学加快的主要原因。此外，在电化学NO3−RR过程中，*NO2快速还原为*NO和*NO到*NOH的高选择性转化表明Cu2O/Cu电催化剂具有优异的脱氧加氢能力。

转自：“科研一席话”微信公众号

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