本研究首次提出将电化学与 CuBi2O4 催化剂相结合,开发出一种新型 CuBi2O4 阳极,以加强 PMS 的活化,从而降解水环境中的 PMT。通过识别体系中的 ROS 和分析 PMS 在 CuBi2O4 阳极的界面反应,揭示了 CuBi2O4 阳极电活化 PMS 的机理。探讨了 CuBi2O4 阳极负载能力与活性位点之间的结构关系。研究了电流密度、电极间距、PMS 和 PMT 浓度以及初始 pH 值等 CuBi2O4 阳极/PMS 系统参数对 PMS 电活化行为的影响。创新性地揭示了新型 CuBi2O4 阳极增强 PMS 电活化的反应机理。评估了 CuBi2O4 阳极活化 PMS 系统在实际高盐农药废水处理中的稳定性和经济可行性。结果表明,电化学增强型变价态金属氧化物催化剂活化 PMS 可用于高盐农药废水处理。
Fig. 1. The catalyst drop-casting method to fabricate CuBi2O4 electrodes.

Fig. 2. The precursor drop-casting method to fabricate CuBi2O4 electrodes.

Fig. 3. PMT removal efficiency: (a) and (b) comparison of CuBi2O4 electrode activated PMS with CuBi2O4 catalyst activated PMS and pure FTO electrode electro-activated PMS; (c) the ability of CuBi2O4 electrode to activate PMS with different catalyst loads. (Reaction condition: [PMT]0 = 0.045 mmol/L, [PMS]0 = 0.65 mmol/L, [Na2SO4] = 50 mmol/L, j = 5 mA/cm2, GBE = 2 cm).

Fig. 4. (a) Surface and cross-sectional SEM images of CuBi2O4 electrodes with different loads of catalyst; Effect of load on (b) pore diameter and (c) thickness of CuBi2O4 electrode.

Fig. 5. (a) XRD patterns of CuBi2O4 electrodes with different loads; (b) CV curves, (c) LSV curves, and (d) Tafel curves of CuBi2O4 anodes with different loads; (e) and (f) Fitting results of theoretical number of active sites on CuBi2O4 anode surface with different loads.
Fig. 6. Effect of (a) current density, (b) plate spacing, (c) PMS concentration, (d) initial PMT concentration, (e) initial pH on the degradation performance of PMT; (f) Dissolution of metal ions at the end of the reaction at different initial pH values.
本研究通过将金属氧化物催化剂与电化学耦合,开发了一种新型 CuBi2O4 阳极,并探索了 CuBi2O4 阳极增强 PMS 活化降解农药 PMT 的内在机理。EC/CuBi2O4 阳极/PMS 系统对 PMT 的去除率为 74.60%,远高于 CuBi2O4 催化剂单独活化 PMS(4.88%)和 FTO 阳极电活化 PMS(32.15%)的简单叠加。与等效的三维粒子电极系统相比,CuBi2O4 阳极系统的界面电子转移效率更高,对 PMS 的催化效果更显著。PMT 污染物的降解是通过以自由基 dotOH 和 SO4 自由基 dot- 为主的自由基氧化途径进行的。电场的引入增强了 CuBi2O4 空穴和电子的有效分离,提高了 PMS 在 CuBi2O4 阳极表面的化学吸附,使其转化为活化的 PMS(PMS*),加速了界面间的电子转移。PMS* 更容易被 CuBi2O4 空穴和电子分离后产生的电子激活,形成大量活性物质。CuBi2O4 的存在为 PMS 的电活化提供了更多的反应位点,促进了 PMS 的分解,产生了更多的活性自由基,从而提高了 PMT 的降解效率。EC/CuBi2O4 阳极/PMS 系统对实际的高盐农药废水具有高效的净化能力,不仅能稳定降解多种农药,还能有效去除废水中的 COD。该研究为突破 CuBi2O4 催化剂活化 PMS 电子迁移慢的限制,在实际水体中表现出稳定的除污性能和良好的经济效益提供了新的思路。
Yatao Liu, Yongzhen Li, Chen Li, Asuna, Zhenbei Wang, Fan Li, Fei Qi, Ronghua Xu, Ewa Maria Siedlecka, Jolanta Kumirska, Electrochemically-induced metal–oxygen bond Cu(II)-SO5− on novel CuBi2O4 anode for efficient peroxymonosulfate activation, Chemical Engineering Journal, 2024, https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.153378
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