电氧化（electrooxidation，EO）是指在外加电场下发生在阳极电极对污染物的氧化降解或转化过程，其具有反应条件温和、底物选择性低、无须投加额外化学药品、组装模块化、易于规模化商业应用等优势，已经成为常见的水处理技术之一。近年来，电氧化技术与膜处理、电絮凝等多单元耦合相关技术蓬勃发展，在废水深度净化及污染物资源化领域具有广阔发展前景。发展电氧化技术的关键之一在于设计和制备稳定高性能的电催化剂。开发具有成本效益、绿色高效、储量丰富的阳极材料是实现规模化电氧化去除水体污染物的有效路径之一。

新型碳材料以其优异的稳定性、可调的孔隙结构、优良的导电性、广泛的来源等特性成为新型电极的候选材料之一。碳拥有四个价电子并通常以三种类型的杂化轨道（sp，sp2和sp3）成键，这就赋予了碳材料结构及性质的多样性。此外，各类碳与金属、金属氧化物、金属磷化物等可复合形成大比表面积、高催化位点暴露、电化学性质可调的碳基复合材料。碳基材料在电催化去除水体污染物领域的研究及应用不仅丰富了碳材料的资源化途径，也对发展双碳背景下的水处理技术新模式具有重要意义。

哈工大郭旭团队从碳基材料电氧化过程出发，重点综述并总结了碳纳米管、石墨烯、生物碳等在电氧化去除污染物方面的研究进展，最后对发展碳基电催化剂提出展望。并以《碳基材料电氧化去除水体污染物的研究进展》为题发布在《化工学报》上。

碳基材料电氧化主要过程

电氧化可根据去除污染物机理不同进行分类，在阳极表面直接发生电子转移实现污染物去除的过程被称为直接氧化，而通过产生强氧化性中间产物去除污染物的过程被称为间接氧化。碳基材料电氧化过程通常同时包含了直接氧化和间接氧化。

不同碳材料电氧化去除污染物的研究进展

1. 碳纳米管

碳纳米管（carbon nanotube，CNT）是Iijima1991年在用电弧法制备富勒烯时发现的。碳纳米管可根据其管壁层数不同分为单壁碳纳米管（SWCNT）和多壁碳纳米管（MWCNT），其可认为是由一层或多层石墨烯按照一定卷曲角度形成的中空管状材料。碳纳米管凭借大比表面积、良好的导电性、可强化污染物传质过程、优异的环境稳定性及可控地负载其他催化材料等诸多优点在电氧化去除污染物领域得到了大量研究。

图1. （a）酸预处理的碳纳米管海绵电氧化去除全氟辛酸；（b）碳纳米管/聚氨酯海绵电化学过滤器运行示意图

图2. 具有纳米异质结结构的Ni@Ni3S2/CNT电极用于低能耗的析氢(阴极)与电催化去除盐水中的乙醇胺污染物(阳极)的示意图

图3 典型碳纳米管基阳极材料及其降解污染物相关参数对比

2. 石墨烯

石墨烯是碳原子以sp2杂化构成的六边形排列蜂窝状二维层状碳材料，石墨烯晶体中一个碳原子以σ键与周围三个碳原子相连，每个碳原子中与sp2杂化平面垂直的p轨道形成离域大π键，单层石墨烯晶体中的碳原子结合是相对牢固的，而多层石墨层与层之间的作用力是较弱的。自2004年单层石墨烯被成功制备以来，石墨烯以其卓越的电子迁移率（理论极限200000 cm2·V-1·S-1）、大的比表面积（理论值达到2630 m2·g-1）、优异的力学性能、可调的结构等优势迅速引起了诸多研究者的密切关注。纯石墨烯由于其较强的疏水性在污水处理方面的适用性受到限制，往往需要对其改性或制备成复合材料。氧化石墨烯（graphene oxide，GO）及在其基础上得到的还原氧化石墨烯（reduced graphene oxide，rGO）均是石墨烯的典型衍生物，也都在电氧化领域得到了一定研究。

图4. a）通过调控前体和制备方式获得含有边缘硫和骨架硫掺杂石墨烯；（b）掺硫还原氧化石墨烯作为活性层提升Ti/Ce-Mn/SnO2-Sb-La电极电氧化性能和稳定性

图5. 双功能负载Co3O4纳米球的氮掺杂还原氧化石墨烯电极电氧化去除亚甲基蓝同时还原CO2选择性生产甲醇的示意图

图6. 典型石墨烯基阳极材料及其降解污染物相关参数对比

3. 生物质碳

生物质碳是指在一定环境条件下对生物质材料进行热解得到的碳材料，其以来源广泛、可再生、导电性好、稳定性佳等优势在电催化领域得到广泛关注。大多数生物质材料含有大量的非碳杂元素，这意味着无须引入化学试剂及额外步骤即可实现杂元素自掺杂从而提升电催化活性，更为重要的是这种掺杂有望通过实验手段调控，如通过调控掺氮生物质碳中吡啶氮及石墨氮比例可以调节催化活性从而影响材料电催化性能。生物质碳作为阴极、粒子电极等均有大量报道，其在阳极电氧化方面报道相对还较少。

图6. 废弃羊毛衍生碳负载磷化铁钴去除盐酸四环素示意图

4. 其他碳材料

掺硼金刚石（boron-doped diamond，BDD）电极是在金刚石晶体中硼原子部分取代碳原子得到的金刚石衍生材料，其以宽的电化学窗口、高的析氧过电位、优异的耐腐蚀性等优势较早就在电氧化去除污染物方面得到了广泛研究和实际应用。

碳基膜材料耦合电氧化技术可以有效改善体系的污染物去除能力和膜的渗透性。碳基膜电极的制备方法主要包括真空抽滤法、烧结法和纺丝法。真空抽滤法是报道最多的一类碳基膜电极制备技术，可通过将碳材料抽滤到基底上制备复合膜电极材料，研究人员往往将该方法与电还原、电沉积、浸渍等方法耦合以调高或丰富膜的性能。

金属有机框架材料（MOFs）是由金属离子/团簇和有机配体通过配位键构建的多孔有机-无机杂化晶体材料，其依靠优异的吸附能力、结构性质可调等优点已经被广泛应用在水处理领域。

结论

碳基阳极材料已经得到了广泛的关注，特别是目前的研究大量建立起了材料的形貌与电氧化能力的构效关系，对于指导开发新型碳基材料具有重要意义。

尽管碳基材料有望成为电氧化污水处理的新选择，但在推动碳基阳极材料进行更加深入的研究及真正走向实际应用还需要考虑如下内容：

（1）目前需要进一步加强在原子水平调控碳材料结构及电催化性能的研究（如选择性暴露活性晶面、调控缺陷等），同时需要注重平衡丰富活性位点种类数量和稳定性之间的关系。此外，有关理论计算也需要结合电催化实际来发展以揭示催化反应机理和描述催化过程。

（2）目前所研究的碳基催化剂大多是粉末状，需要使用黏结剂负载到导电基底上，这可能造成电极稳定性的下降及电荷传输过程的阻碍。因此，发展以碳气凝胶等为代表的自支撑型碳基材料可能具有更加广泛的应用前景。

（3）为提高能源利用率，在阳极电氧化同时，进一步发展阴极上的还原反应以协同去除污染物或者生产高附加值产品，这有望降低系统运行成本增加经济效益。此外发展自供能电氧化系统也是重要研究方向。

原文：doi: 10.11949/0438-1157.20230135

来源：Carbontech

免责声明：中国复合材料学会微信公众号发布的文章，仅用于复合材料专业知识和市场资讯的交流与分享，不用于任何商业目的。任何个人或组织若对文章版权或其内容的真实性、准确性存有疑议，请第一时间联系我们。我们将及时进行处理。

原标题：《【复材资讯】碳材料去除水体污染新进展》