Katalytische Membranelektrode mit Co3O4 Nanoa

Science China Press

Bild: Schematische Darstellung eines H-Typ-PEM-ECMR mit PEM-Separator und Ti-basierter Membrananode (links); Foto der röhrenförmigen Co3O4/Ti-Membranelektrode (Mitte); REM-Bilder der Co3O4-Nanoarrays (rechts).mehr sehen

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Diese Studie wird von Prof. Zhen Yin (College of Chemical Engineering and Materials Science, Tianjin University of Science and Technology), Prof. Jianxin Li (State Key Laboratory of Separation Membranes and Membrane Processes, Tiangong University) und Prof. Ding Ma ( Hochschule für Chemie und Molekulartechnik, Universität Peking).

Eine robuste elektrochemische Strategie mit effizienter und stabiler Membrananode (Co3O4 NNs/Ti-Membranelektrode), aufgebaut aus Co3O4-Nanonadel-Arrays (Co3O4 NNs) und der Titanmembran für die elektrochemische Oxidation feuerfester organischer Schadstoffe und gleichzeitige Produktion von hochreinem Wasserstoff über der Kathode im Abwasser unter neutralen Bedingungen. Die Membranelektroden mit 3D-Array-Nanostrukturen wurden durch den Zusammenbau von 1D-Strukturen bestehend aus kleinen Co3O4-Nanopartikeln (NPs) konstruiert und über einen In-situ-Wachstumsprozess ohne Bindemittel und Zusatzstoffe auf der Membranoberfläche verankert, was die elektrochemischen Reaktionen erheblich erleichterte. Der 3D-Nanoarray aus Co3O4 könnte die enge Grenzflächenhaftung mit Substraten drastisch verbessern und so den Elektronentransport und Ladungstransfer an der Grenzfläche von Elektrode und Elektrolyt erleichtern, was zu zahlreichen katalytisch aktiven Stellen führt. Die Diffusions-/Massentransferbeschränkung für herkömmliche Plattenelektroden wurde durch das Laden eines 3D-Nanoarrays auf die Oberfläche der Membranporen und die Durchflusskonfiguration überwunden.

Die Co3O4 NNs/Ti-Membranelektrode im Durchflussmodus zeigte während des EAOP eine überlegene Dekontaminationseffizienz und eine ausgezeichnete Stabilität für die Abwasserbehandlung. Eine numerische Finite-Elemente-Methode über COMSOL Multiphysics wurde eingesetzt, um die Verteilung des elektrischen Feldes an der Oberfläche von Membranelektroden mit unterschiedlichen katalytischen Nanostrukturen zu untersuchen. In der Zwischenzeit wurden In-situ-Raman-Experimente in Na2SO4-Lösung durchgeführt, um die katalytischen Stellen der Co3O4-NNs/Ti-Membranelektrode unter einem elektrischen Feld zu verstehen. Der Abbaumechanismus von Phenol mit der Co3O4 NNs/Ti-Membranelektrode wurde anhand der Analysen der Permeatlösung ebenfalls diskutiert. Um schließlich hochreinen Wasserstoff zu produzieren, haben wir einen H-Typ-ECMR (PEM-ECMR) mit Nafion-Membran als Separator und der Co3O4 NNs/Ti-Anode entwickelt, der überlegene Abbauleistungen für Phenol- und Farbstoffwasser sowie eine stabile Produktion von reinem Wasserstoff demonstriert und hervorragende Langzeitstabilität. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass die PEM-ECMR-Zelle flexibel und praktisch für die dezentrale Abwasserbehandlung und die reine Wasserstoffproduktion unter einem niedrigen elektrischen Feld ist.

„Es wäre ein vielversprechender alternativer Weg zur gleichzeitigen Gewinnung von sauberem Süßwasser und zur nachhaltigen Erzeugung von Wasserstoffenergie, dessen Energiekosten weiter gesenkt werden könnten, wenn er in Zukunft mit erneuerbaren Energien wie Solarenergie betrieben würde. Darüber hinaus kann das Abwasser aus Industrieabwässern durch Wasserelektrokatalyse in Kombination mit einem Schadstoff-Elektrooxidationsprozess als Wasserstoffquelle genutzt werden“, sagt Zhen.

Diese Arbeit wird die weitere Entwicklung elektrochemischer Prozesse, modularer dezentraler Wasseraufbereitungssysteme und technologische Fortschritte für die Aufbereitung von kontaminiertem Wasser parallel zur künftigen Erzeugung erneuerbarer Energien anregen.

Siehe den Artikel:

Yin, Z., Zhang, K., Ma. N. et al. Katalytische Membranelektrode mit Co3O4-Nanoarrays zur gleichzeitigen Rückgewinnung von Wasser und Wasserstoff aus Abwasser, Sci. China Mater. (2022). https://doi.org/10.1007/s40843-022-2168-y.

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10.1007/s40843-022-2168-y

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