孫紅衛團隊在海水選擇性電合成氯消毒劑取得重要進展

華大在線訊（通訊員 趙圣希）近日，孫紅衛團隊在海水選擇性電合成氯消毒劑取得重要進展，在國際著名期刊《自然?可持續》（Nature sustainability）上發表了題為“Selective electrosynthesis of chlorine disinfectants from seawater”的研究論文（DIO: 10.1038/s41893-023-01265-8）。我校化學學院2020級博士研究生趙圣希為論文第一作者，孫紅衛副教授、李浩副教授、張禮知教授為通訊作者。

活性氯是最有效的污水和壓載水處理消毒劑之一。目前，活性氯的生產主要依靠氯堿工藝。該工藝使用貴金屬氧化物（RuO₂, Rh₂O₃, IrO₂）涂覆的鈦金屬板（DSA）為陽極，5 – 6 mol L^–1的飽和食鹽水為電解質，先在酸性條件下（pH < 4）電解生成氯氣，氯氣隨后在純水或堿溶液中通過歧化反應生成活性氯。在當前純水資源日趨稀缺和雙碳背景下，該工藝受到的制約越來越多。相較于淡水，鹽度為3.5 wt.％的海水約占地球總水量的96.5%，是更理想的活性氯電化學合成資源。然而，海水Cl^–濃度較低（< 0.5 mol L^–1）且組成復雜（含Br^?, SO₄^2?, NO₃^?, Na⁺, K⁺, Mg²⁺, Ca²⁺等），給海水直接電化學合成活性氯帶來了極大挑戰。這是因為析氧反應和析氯反應會在DSA電極表面競爭活性位點，在低氯濃度、近中性海水中和工業高電流密度下，析氧副反應尤為嚴重；而海水中的堿土金屬離子在電解過程中會沉積在DSA電極表面導致電極失活。此外，DSA陽極還會持續溶出貴金屬離子，導致電極失效并造成二次污染風險。因此，開發高效、高選擇、穩定利用海水電化學合成活性氯的非貴金屬陽極具有重要學術意義和應用前景。

針對這一挑戰，該團隊采用機械化學法制備了Fe摻雜Ti₄O₇電極（Fe-Ti₄O₇）。Fe摻雜增強了Ti₄O₇表面晶格氧活性位點的親電性，顯著提高了其在天然海水中活化低濃度氯離子的選擇性，并有效抑制了堿土金屬離子在電極表面的沉積。Fe-Ti₄O₇電解天然海水合成活性氯的選擇性達到75%，顯著優于傳統商業DSA電極（45%），其固有周轉頻率和質量活性均比DSA高兩個數量級，且在實驗室條件下穩定運行10天無明顯衰減，展現出了卓越的穩定性。該海水電解系統可采用商業硅光伏電池驅動，活性氯合成速率高達3.15 mg min^?1，能夠在五分鐘內完全滅活遠洋輪船壓載水中常見的細菌，展示了良好的應用前景。該研究為活性氯合成提供了一種綠色、低碳、可持續的創新解決方案。該團隊目前正在積極推進相關電極材料的產業化制備和應用技術開發。

該工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃、上海市自然科學基金以及中國博士后科學基金的資助。

全文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41893-023-01265-8

（審讀人：王海）