Elettrodo a membrana catalitica con Co3O4 nanoa

Scienza Cina Press

immagine: Illustrazione schematica del PEM-ECMR di tipo H con separatore PEM e anodo a membrana a base di Ti (a sinistra); Foto dell'elettrodo tubolare a membrana Co3O4/Ti (al centro); Immagini SEM dei nanoarray Co3O4 (a destra).vedere di più

Credito: ©Science China Press

Questo studio è condotto dal Prof. Zhen Yin (College of Chemical Engineering and Materials Science, Tianjin University of Science and Technology), dal Prof. Jianxin Li (State Key Laboratory of Separation Membranes and Membrane Processes, Tiangong University) e dal Prof. Ding Ma ( Facoltà di Chimica e Ingegneria Molecolare, Università di Pechino).

Una robusta strategia elettrochimica con anodo a membrana efficiente e stabile (elettrodo a membrana Co3O4 NN/Ti) costruito con array di nanoaghi Co3O4 (Co3O4 NN) e membrana in titanio per l'ossidazione elettrochimica di inquinanti organici refrattari e la produzione simultanea di idrogeno ad elevata purezza sul catodo nelle acque reflue in condizioni neutre. Gli elettrodi a membrana con nanostrutture a matrice 3D sono stati costruiti tramite l'assemblaggio di strutture 1D costituite da piccole nanoparticelle (NP) di Co3O4 e ancorate sulla superficie della membrana tramite un processo di crescita in situ senza leganti e additivi, che ha sostanzialmente facilitato le reazioni elettrochimiche. Il nanoarray 3D di Co3O4 potrebbe migliorare notevolmente l’intima adesione interfacciale con i substrati, e quindi facilitare il trasporto degli elettroni e il trasferimento di carica all’interfaccia tra elettrodo ed elettrolita, portando ad abbondanti siti attivi catalitici. La limitazione di diffusione/trasferimento di massa per gli elettrodi a piastra tradizionali è stata superata tramite il caricamento di nanoarray 3D sulla superficie dei pori della membrana e la configurazione a flusso continuo.

L'elettrodo a membrana Co3O4 NNs/Ti in modalità flusso continuo ha mostrato un'efficienza di decontaminazione superiore e un'eccellente stabilità per il trattamento delle acque reflue durante l'EAOP. Per studiare la distribuzione del campo elettrico superficiale di elettrodi a membrana con diverse nanostrutture catalitiche è stato impiegato un metodo numerico agli elementi finiti tramite COMSOL Multiphysics. Nel frattempo, sono stati eseguiti esperimenti Raman in situ in soluzione Na2SO4 per comprendere i siti catalitici dell'elettrodo a membrana NN/Ti Co3O4 sotto un campo elettrico. È stato discusso anche il meccanismo di degradazione del fenolo con l'elettrodo a membrana Co3O4 NNs/Ti in base alle analisi della soluzione di permeato. Infine, per produrre idrogeno di elevata purezza, abbiamo progettato un ECMR di tipo H (PEM-ECMR) con membrana Nafion come separatore e anodo Co3O4 NNs/Ti, dimostrando prestazioni di degradazione superiori per fenolo e acqua colorante, produzione stabile di idrogeno puro ed eccellente stabilità a lungo termine. Il presente lavoro dimostra che la cella PEM-ECMR è flessibile e pratica per il trattamento decentralizzato delle acque reflue e la produzione di idrogeno puro in condizioni di basso campo elettrico.

“Sarebbe un percorso alternativo promettente per il recupero simultaneo di acqua dolce pulita e la produzione sostenibile di energia da idrogeno, il cui costo energetico potrebbe essere ulteriormente ridotto se in futuro fosse alimentato con energia rinnovabile, come l’energia solare. Inoltre, le acque reflue provenienti dagli effluenti industriali possono essere utilizzate come fonte di idrogeno tramite l’elettrocatalisi dell’acqua combinata con il processo di elettroossidazione degli inquinanti”, afferma Zhen.

Questo lavoro ispirerà l’ulteriore sviluppo di processi elettrochimici, sistemi modulari decentralizzati di trattamento dell’acqua e progressi tecnologici per il trattamento dell’acqua contaminata in parallelo con la produzione di energia rinnovabile in futuro.

Vedi l'articolo:

Yin, Z., Zhang, K., Ma. N. et al. Elettrodo a membrana catalitica con nanoarray di Co3O4 per il recupero simultaneo di acqua e idrogeno dalle acque reflue, Sci. Cina Mater. (2022). https://doi.org/10.1007/s40843-022-2168-y.

Materiali scientifici cinesi

10.1007/s40843-022-2168-y

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