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    一種新型電極材料—大孔塊體亞氧化鈦電極

    更新時間:2019-04-03 14:07:33點擊次數:1071次

    一種新型電極材料—大孔塊體亞氧化鈦電極

    電化學作為一門交叉學科,在解決當代環境和能源問題中扮演了十分重要的角色。舉例來說,電化學高級氧化技術是一種清潔的水處理技術,具有效率高、無二次污染、易于控制等其它技術無法比擬的優勢;另一方面,電化學能源技術則幾乎滲透到當代能源領域的每個角落,如鋰離子電池、太陽能電池、超級電容器、燃料電池(微生物燃料電池)等。電極材料是電化學反應的心臟,開發性能優異的電極材料始終是人們關注的熱點課題。


    哈爾濱工業大學城市水資源與水環境國家重點實驗室尤世界點擊查看介紹課題組與Ti-Dynamics公司黃一兵合作,使用商用銳鈦礦TiO2作為前驅體,利用H2還原法下制備了一種新型的大孔塊體亞氧化鈦電極。亞氧化鈦的析氧電位可高達2.5 V,在較低的電流密度下(8 mA/cm2),經過僅2h的反應,能夠有效去除難降解工業廢水中的有機污染物,去除率達到67%,剩余部分的可降解性提高了近1個數量級。亞氧化鈦在高電位下氧化水產生能夠產生具有強氧化性的羥基自由基(電位高達+2.8 V),從而無選擇性地礦化水中的有機污染物,將其分解為CO2和H2O,經過50個周期的循環,有機物去除率幾乎沒有衰減,說明電極具有極好的穩定性。


    此外,研究團隊還將此電極用作微生物燃料電池(MFC)的陽極,希望以此解決MFC陽極材料強度低、傳質受限、產電微生物附著性差等問題。結果表明,在MFC陽極中,電活性微生物能夠在亞氧化鈦陽極表面實現多層生長,生物膜密度遠遠大于傳統的碳布電極,大孔結構(100 μm)保證了活性物質在電極內部的高效傳質,產生的最大功率密度達到1500 mW/m2,比傳統的碳布電極高出近60%。分析表明,亞氧化鈦與電活性微生物的外層細胞色素蛋白OmcB的相互作用有可能是促進胞外電子傳遞效率的原因。在接近20天的測試時間內,MFC性能幾乎沒有衰減,說明亞氧化鈦作為MFC陽極具有良好的穩定性。


    與傳統的石墨和碳電極相比,大孔塊體亞氧化鈦具有獨特的優勢,具體體現在:(1)具有與導體媲美的導電性和與陶瓷相當的穩定性;(2)塊體電極可直接使用,簡單方便;(3)大孔結構有利于活性物質在電極內部的傳質;(4)以TiO2為原料制備獲得,是一種真正意義上的綠色電極材料。由于具有這些獨特的性質,亞氧化鈦適用于各類電池和電解池體系,在解決能源和環境問題中有著誘人的前景。此項研究的相關成果于2016年發表在Journal of Materials Chemistry AElectrochimica Acta上。


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