孙红卫团队在海水选择性电合成氯消毒剂取得重要进展

华大在线讯（通讯员 赵圣希）近日，孙红卫团队在海水选择性电合成氯消毒剂取得重要进展，在国际著名期刊《自然•可持续》（Nature sustainability）上发表了题为“Selective electrosynthesis of chlorine disinfectants from seawater”的研究论文（DIO: 10.1038/s41893-023-01265-8）。太阳成集团化学学院2020级博士研究生赵圣希为论文第一作者，孙红卫副教授、李浩副教授、张礼知教授为通讯作者。

活性氯是最有效的污水和压载水处理消毒剂之一。目前，活性氯的生产主要依靠氯碱工艺。该工艺使用贵金属氧化物（RuO₂, Rh₂O₃, IrO₂）涂覆的钛金属板（DSA）为阳极，5 – 6 mol L^–1的饱和食盐水为电解质，先在酸性条件下（pH < 4）电解生成氯气，氯气随后在纯水或碱溶液中通过歧化反应生成活性氯。在当前纯水资源日趋稀缺和双碳背景下，该工艺受到的制约越来越多。相较于淡水，盐度为3.5 wt.％的海水约占地球总水量的96.5%，是更理想的活性氯电化学合成资源。然而，海水Cl^–浓度较低（< 0.5 mol L^–1）且组成复杂（含Br⁻, SO₄²⁻, NO₃⁻, Na⁺, K⁺, Mg²⁺, Ca²⁺等），给海水直接电化学合成活性氯带来了极大挑战。这是因为析氧反应和析氯反应会在DSA电极表面竞争活性位点，在低氯浓度、近中性海水中和工业高电流密度下，析氧副反应尤为严重；而海水中的碱土金属离子在电解过程中会沉积在DSA电极表面导致电极失活。此外，DSA阳极还会持续溶出贵金属离子，导致电极失效并造成二次污染风险。因此，开发高效、高选择、稳定利用海水电化学合成活性氯的非贵金属阳极具有重要学术意义和应用前景。

针对这一挑战，该团队采用机械化学法制备了Fe掺杂Ti₄O₇电极（Fe-Ti₄O₇）。Fe掺杂增强了Ti₄O₇表面晶格氧活性位点的亲电性，显著提高了其在天然海水中活化低浓度氯离子的选择性，并有效抑制了碱土金属离子在电极表面的沉积。Fe-Ti₄O₇电解天然海水合成活性氯的选择性达到75%，显著优于传统商业DSA电极（45%），其固有周转频率和质量活性均比DSA高两个数量级，且在实验室条件下稳定运行10天无明显衰减，展现出了卓越的稳定性。该海水电解系统可采用商业硅光伏电池驱动，活性氯合成速率高达3.15 mg min⁻¹，能够在五分钟内完全灭活远洋轮船压载水中常见的细菌，展示了良好的应用前景。该研究为活性氯合成提供了一种绿色、低碳、可持续的创新解决方案。该团队目前正在积极推进相关电极材料的产业化制备和应用技术开发。

该工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、上海市自然科学基金以及中国博士后科学基金的资助。

全文链接：https://www.nature.com/articles/s41893-023-01265-8

（审读人：王海）