通讯单位：齐齐哈尔大学中国化学化工学院黑龙江省精细化工催化合成重点实验室；黑龙江大学催化技术国际联合研究中心化学与材料科学学院教育部功能无机材料化学实验室论文DOI：https://doi.org/10.1016/j.jcis.2021.11.023 CoTiO3/Ce-PbO2(CTO/CP)电催化剂表现出卓越的电催化降解性能，在180 min内甲基红降解效率高达90.0%，COD去除率为88.3%，其中·OH是主要反应物种。此外，CTO/CP还显示出较高的瞬时电流效率（ICE）/平均电流效率（ACE）、较低的电化学能耗（EEC）和理想的稳定性以及对许多不同染料的广泛适用性和可重复使用性。总的来说，通过引入CP来增强CTO的电催化性能的策略拥有“不可限量”的前景。如今，为寻求解决日益严重的有机水污染危机的有效解决方案，科研工作者已经进行了大量的试验。难降解废水的处理方法很多，如生物氧化法、吸附法和化学氧化法等。然而，上述各种方法都存在一些缺陷。电催化氧化工艺（简称EOPs）作为一种流行的高级氧化工艺，由于其独特的优点，如对许多污染物具有良好的氧化去除效率，与其他方法相比易于操作和环境相容性，已受到广泛关注。EOPs的核心是催化剂材料，它直接决定着最终的污染物矿化去除效率。因此，探索具有优异催化活性的电催化剂及其相应的制备技术，以满足实际使用的要求，具有十分重要的意义。根据该课题组先前的研究报道，CoTiO3具有很强的氧化还原行为、较高的电化学活性和良好的电子导电性，并首次将该催化剂应用到电催化降解方向。然而，在整个电催化降解过程中，低析氧电位的CoTiO3会导致更多的副反应。此外，浸渍热解法制备的CoTiO3电极稳定性差也是实际应用中的一大挑战。考虑到PbO2其良好的稳定性、优异的导电性和良好的析氧电位，可以进一步提高CoTiO3的电催化稳定性，该课题组将Ce掺杂PbO2在CoTiO3上形成分层结构。充分克服了CoTiO3催化剂的缺点，为实现工业化应用打下了夯实的基础。本研究中该课题组充分考虑电沉积行为的性质，通过特定的浸渍热解法，首先在Ti基底上构筑具有分层泥裂结构的CoTiO3催化剂做为Ce-PbO2的修饰位点，为电沉积行为提供了更广阔的场所，形成牢不可破的多层结构（图1），大幅度延长了催化剂的寿命。研究过程中，该团队还以功能为导向，对多种模拟有机污染物进行降解测试和稳定性测试，该电催化体系对高浓度甲基红模拟污染物（140mg·L-1）的降解效率高达90%（图2），同时展示出88.3%的COD移除效率。在稳定性测试中，循环六次前后的降解效率几乎不变。为此，该课题组通过强酸和高密度电流的条件对来该电催化剂进一步进行加速寿命测试，电极失效时间延长至先前的七倍之多结果表明，无论在降解性能还是稳定性能等等，凭借Ce-PbO2催化剂的优良性能，使该课题组先前研究报道的CoTiO3电催化剂“如虎添翼”。▲图2 电催化降解过程示意图（a），CTO涂层数量和电沉积时间CP条件优化、（b）电流效率条件优化（c）、pH值条件优化、（d）电极距离条件优化（e）和甲基红浓度条件优化（f）
鉴于此，该课题组还系统地检查了CTO/CP、CTO和CP对甲基红（MR）的相应COD去除效率（图6a）。CTO/CP在180 min时的COD去除率（约88%）也比CTO和CP（仅49.1%和40.5%）电极高。在计算图3a中获得的上述COD去除数据后，每个电催化剂的瞬时电流效率（ICE）、平均电流效率（ACE）和电化学能耗（EEC）分别如图3b、c和d所示。毫无疑问，CTO/CP比其他同类产品（CTO和CP）具有更高的ICE/ACE和更低的EEC，这主要得益于多层结构间的协同效应赋予了CTO/CP催化剂在广泛的经济适用性。这种“看似简单，实则高效”的电催化剂，为水资源提供了一种高效清洁的途径，也显示了较好的工业催化应用前景。▲图3 MR的COD移除效率示意图（a）、ICE对比图（b）、ACE对比图（c）和EEC对比图（d）。（外加电流密度为30 mA cm-2，pH值为7.0）
与CTO和CP相比，CTO/CP复合材料具有低电荷转移电阻、大电活性面积、高析氧电位等优异的电化学性能，CTO/CP复合电催化剂的电催化降解性能增强，在180 min时，CTO/CP电催化剂的降解效率高达90.0%，COD去除率为88.3%。在整个降解过程中，对初始浓度、外加电流密度、极板间距和溶液pH值是重要的影响因素进行优化，-OH是MR降解的主要电化学反应自由基。此外，最佳CTO/CP电催化剂还显示出较高的ICE/ACE、较低的EEC和理想的稳定性、对许多不同染料的广泛适用性和可重复使用性。并对甲基红的降解机理进行了系统分析。总之，该工作为高效电催化降解难降解有机染料提供了一种很有前景的方案。董国华，男，汉族，1980年5月24日，内蒙古丰镇人，2005年7月本科毕业于吉林大学环境科学系（理学学士），2007年7月硕士毕业于吉林大学环境科学系师从李鱼教授（理学硕士），2018年3月博士毕业于哈尔滨工业大学化学工程与技术博士毕业师从杨玉林教授（工学博士），2020年9月教育厅青年访问学者黑龙江大学合作导师井立强教授；主要研究方向为多酸、纳米复合物材料的制备以及光电催化、钙钛矿太阳能电池的制备研究，目前在国内外知名期刊 Adv.Energy Mater., ACS Appl. Mater. Interfaces, Chemsuschem, Electrochemica Acta, Applied surface science发表论文40余篇，近5年以第一作者或通讯作者发表SCI论文20篇，影响因子累计近100，分别主持和参与市级以上项目10项（含国家自然科学基金面上1项），获黑龙江省高校科学技术二等奖1项，2019年任黑龙江省分析测试协会会员。郎坤，男，汉族，1996年10月5日，本毕业于齐齐哈尔大学，目前为齐齐哈尔大学在读研究生（研三），入学两年来收录二作（导师一作）和共一作SCI三篇，授权专利一篇。https://www.scholat.com/dongguohua该成果以“A Novel Composite Anode via Immobilizing of Ce-doped PbO2 on CoTiO3 for Efficiently Electrocatalytic Degradation of Dye”为题，近日发表于《Journal of Colloid and Interface Science》上。该工作得到了国家自然科学基金、黑龙江省自然基金等项目的资助。https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0021979721019081
