在Green Chemistry上发表了题为“An efficient, green, and residual oxidant-free wastewater treatment technology enabled by coupling dual-cathode heterogeneous electro-Fenton and UV radiation in tandem”的研究论文（DOI: 10.1039/D3GC01653F ）。电芬顿工艺的有效实施通常受到阴极两种靶向还原反应（O2到H2O2和高价金属到低价金属）最佳电势之间冲突的影响。此外，该工艺出水中残留的H2O2对水生ECO具有潜在的环境风险。本研究提出了一种双阴极电芬顿和紫外辐射的串联系统来克服这些困境。在双阴极电芬顿系统中，空气扩散阴极和铁功能化碳阴极在不同的最佳工作电流密度下各司其职，以同时实现高效的H2O2和活性氧物种生产以及惰性Fe(Ⅲ)的电还原。随后，电芬顿出水中未充分的利用的H2O2将在紫外线模块中被重新激活，以消除氧化剂残留的风险同时提高处理效率。另外，通过构建不同的独立/耦合过程，详细探讨了该串联系统中由空气扩散阴极电流密度控制的有趣的拮抗和协同现象。本研究提出的HEF/UV串联策略为分布式水处理提供了一个很有前途的方案，特别是其卓越的工艺效率以及无外部投加试剂和无残余氧化剂的绿色化学概念。

  具有小规模特征的分散式水处理系统提供了一种很有前途的获取清洁水的途径，因为它在理论上大幅度减少了能源投入，同时能满足各种终端用户特定的处理需求。然而，由于传统废污水处理设施对新兴有机污染物的降解效率不佳，水ECO中人为加剧的持久性有机污染（POPs）积累的挑战使得分布式方案不切实际。电化学高级氧化工艺（EAOP）可以有明显效果地降解这些危险的有机物，在EAOP家族中，一些基于Fenton反应化学的工艺（如电芬顿）已被证明是最稳健的技术之一。EF工艺的效率在于通过阴极原位产生的过氧化氢（H2O2）和外部投加的Fe2+活化剂之间的Fenton反应产生强氧化性羟基自由基。然而，传统的均相EF工艺存在根本缺陷，例如窄的工作pH窗口和铁泥的形成。在这种情况下，具有固相铁功能化碳质阴极载体的多相EF（HEF）最近被广泛开发和验证，以有效克服这些瓶颈，同时绕过了典型悬浮非均相工艺中耗时且昂贵的催化剂颗粒分散/分离程序。

  在过去的几年里，大量的努力集中在合理设计先进的催化阴极上，以最大限度地生产·OH。尽管取得了令人鼓舞的成就，HEF过程的反应动力学通常明显低于同等催化剂载量下的均相反应动力学（至少一个数量级）。除了固体催化剂固有的受限原子利用率外，此现状也可能与这种复合阴极在实际在做的工作场景中难以执行预期的双功能（即顺序产生H2O2和·OH）紧密关联。首先，大多外来金属物种对碳活性位点生产H2O2是热力学不利的。尽管先前报道将观察到的H2O2产量下降完全归因于现场活化机制，但这并未受到严格的分子水平证明-由于催化剂和碳基质之间仍然难以捉摸的相互作用。另一方面，这种集成阴极式HEF工艺通常存在工作电流密度困境，即H2O2生成所需电势和高价金属电还原所需电势的不匹配。因此，在单阴极的常规操作中很难同时产生最佳的H2O2和·OH生成以及活性金属再生。尽管最近几项针对均相EF设计的双阴极系统研究来应对这一瓶颈，但由于复杂的外部铁盐投加或昂贵的氧气/空气曝气程序的必要性，这些系统并不环保和可持续。

  另一个重要但未被充分重视的问题是，目前的大多数工作只简单追求高的处理效率而未考虑电芬顿出水中残留的H2O2。这不仅会造成不希望的电能浪费，而且还会在实际应用中对水生生物和浮游植物构成潜在的重大风险。UV/H2O2是饮用水设施中一项成熟的技术，它能够最终靠对H2O2的光解产生均相·OH有效去除痕量有机污染物。更引人注目的是，得益于其优异的活化效率即使是极低浓度的H2O2（如3 mg/L）在紫外线照射下也能够迅速转化为·OH。因此，如果将低功率UV模块集成在HEF系统中将是非常有益的，因为这种组合策略有望产生不含H2O2的处理溶液，同时通过产生额外的·OH和对光不稳定中间体的直接光解来加速目标污染物的矿化。

  本研究开发了一种基于双阴极的HEF和UV辐射协同的串联系统，试图解决分布式EAOP处理系统中遭遇的上述挑战。双阴极系统中两种阴极在不同的最佳工作电位下各司其职以同时实现高效的H2O2生产、Fe(Ⅲ)电还原和·OH形成。残留在HEF出水中未充分的利用的H2O2将被随后部署的低功率紫外线照射模块持续活化，以消除氧化剂残留风险并进一步提升降解效率。此外，通过构建不同的独立/耦合系统区分了对应于每个子单元的反应动力学和H2O2浓度演变。因此，这项研究还能够解耦每个子过程的确切贡献，并阐明在双阴极HEF和UV串联系统中发生的有趣的拮抗剂和协同现象。

  图1. 不同独立或耦合系统的示意图（图片来自：Green Chemistry）

  为了解耦串联系统中不同子过程的各自贡献，作者构建了五个不同的独立或耦合系统，包括UV、H2O2、UV/H2O2、HEF和HEF/UV。其中，第二个HEF为FeOCl/GF膜电极，实现在膜内高效限域催化活化空气自扩散阴极（ADC）生产的H2O2，产生·OH及高效降解污染物。同时，在这些系统中还实时监控了H2O2随时间的演变规律。

  图2. 不同阴极的理化性质和催化性能（图片来自：Green Chemistry）

  作者首先评估了由商品碳黑制备ADC的H2O2生产性能，发现其可以在无气泵条件下稳定运行，且实现了从实验室级（5 mA/cm2）至工业级（100 mA/cm2）电流密度下优异的电流效率。然后通过将施加在ADC阴极的电流密度固定在25 mA/cm2来研究催化阴极的效能，发现仅施加5 mA/cm2的电流密度即可最大化催化阴极功效，且系统中未检测到残余H2O2。有必要注意一下的是，增加ADC阴极的工作电流密度能更加进一步加速降解，但代价是出水中H2O2残留过多。这种权衡能够最终靠在双阴极HEF工艺之后添加低功率UV模块（6 W）来克服。

  图3. 串联系统中各子过程反应特性研究（图片来自：Green Chemistry）

  施加在ADC的电流密度对HEF/UV串联系统中电催化和光催化子过程之间的协同作用具有非常明显影响。对于IADC 100 mA/cm2，UV模块的部署不能消除催化阴极表面非均相产生的·OH与ADC产生的H2O2间的浪费反应。而对于IADC ≥ 100 mA/cm2，HEF出水中相对高浓度H2O2经紫外线光解后将产生高浓度的均相·OH，其能够最终靠在催化阴极表面与非均相·OH间的二聚反应避免上述浪费反应。因此两个阴极的最佳工作电流密度被证明是不同的（对于ADC的100 mA/cm2，对于催化阴极的5 mA/cm2）。然而一定要注意此时ADC阴极的能耗将明显提高，这在工艺的经济性角度是不利的。因此建议在后续的研究中检查间歇性供电模式，以及深入探讨空气阴极、催化阴极和UV的布置顺序并借助先进的表征设备分析H2O2和自由基的瞬时时空分布，以进一步提升H2O2利用率并最大限度减少电能消耗。

  作者从多个角度评价了所构建HEF/UV串联系统的实际应用潜力，发现该系统对不同性质的污染物显示出通用性，且其效能受真实水基质的影响并不大。作者还评估了该系统用于实际高盐抗生素废水（正大集团，电导率5030 µS/cm）处理的可行性。在仅经过粗过滤的预处理条件下，处理2小时后废水变得清澈且TOC去除率接近50%。鉴于上述特性，所提出的HEF/UV串联系统可被视为分布式水污染修复的强大解决方案，因为其具有无试剂（即无催化剂投加和氧气曝气）和无氧化剂残留的绿色化学理念。

  作者开发了一种双阴极HEF工艺与UV辐射串联的耦合系统用于分布式水污染控制。在双阴极电解装置中，H2O2首先在ADC阴极无曝气的情况下原位高效产生，然后在高载量的催化膜阴极表面及内部快速转化为活性自由基，实现膜内限域催化高效降解污染物。实验证明，两种阴极的最佳工作电流密度不同，因此能够同时有效地进行2e− ORR、H2O2活化和Fe(Ⅲ)电还原。重要的是，残留在HEF出水中的未充分的利用的H2O2将在UV模块中继续被激活，从而消除了氧化剂残留的风险并有助于进一步提升降解效率。本工作中提出的HEF/UV串联策略提供了一种高效、绿色、无残留氧化剂的废水净化处理解决方案，特别是在分布式废水净化处理中具有实际应用前景。

  张正华，清华大学，深圳国际研究生院，特别研究员/副教授，博士生导师，国际先进材料协会会士，全球前2%顶级科学家, 澳大利亚昆士兰科技大学兼职教授，深圳市“鹏城孔雀计划”特聘教授，博士和博士后期间师从美国工程院院士来自澳大利亚新南威尔士大学（The University of New South Wales）的T. David Waite教授，获得环境工程博士学位及Australian Postgraduate Award。被国际知名期刊Journal of Materials Chemistry A评为2021 年度国际新锐科学家。任SCI期刊Frontiers in Environmental Chemistry副主编，SCI期刊Processes编委，SCI期刊Separations编委，中国海水淡化与水再利用学会青年专家委员会委员，青岛国际水大会专家委员会委员，同是也是深圳市高层次人才，国内高层次人才等。

  主要研究方向：1）膜法水处理：功能膜的制备、膜法水/污水处理工艺、膜污染控制及清洗策略；2） 高级氧化法水处理：电化学、限域催化、类芬顿等；3）功能材料的制备及水处理应用：二维材料、功能高分子材料等。

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