Électrode à membrane catalytique avec Co3O4 nanoa

Science Chine Presse

image : Illustration schématique du PEM-ECMR de type H avec séparateur PEM et anode à membrane à base de Ti (à gauche) ; Photo de l'électrode tubulaire à membrane Co3O4/Ti (milieu) ; Images SEM des nanoréseaux de Co3O4 (à droite).Voir plus

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Cette étude est dirigée par le professeur Zhen Yin (Collège de génie chimique et de science des matériaux, Université des sciences et technologies de Tianjin), le professeur Jianxin Li (Laboratoire clé d'État des membranes de séparation et des processus membranaires, Université de Tiangong) et le professeur Ding Ma ( Collège de chimie et de génie moléculaire, Université de Pékin).

Une stratégie électrochimique robuste avec une anode à membrane efficace et stable (électrode à membrane Co3O4 NNs/Ti) construite avec des réseaux de nanoaiguilles de Co3O4 (Co3O4 NNs) et la membrane en titane pour l'oxydation électrochimique des polluants organiques réfractaires et la production simultanée d'hydrogène de haute pureté sur la cathode. dans les eaux usées à l’état neutre. Les électrodes membranaires dotées de nanostructures matricielles 3D ont été construites via l'assemblage de structures 1D constituées de petites nanoparticules de Co3O4 (NP) et ancrées à la surface de la membrane via un processus de croissance in situ sans liants ni additifs, ce qui a considérablement facilité les réactions électrochimiques. Le nanoréseau 3D de Co3O4 pourrait considérablement améliorer l'adhésion interfaciale intime avec les substrats, et ainsi faciliter le transport des électrons et le transfert de charge à l'interface de l'électrode et de l'électrolyte, conduisant à de nombreux sites actifs catalytiques. La limitation de diffusion/transfert de masse pour les électrodes à plaques traditionnelles a été surmontée via le chargement d'un nanoréseau 3D sur la surface des pores de la membrane et la configuration à écoulement continu.

L'électrode à membrane Co3O4 NNs/Ti en mode flux présentait une efficacité de décontamination supérieure et une excellente stabilité pour le traitement des eaux usées pendant l'EAOP. Une méthode numérique par éléments finis via COMSOL Multiphysics a été utilisée pour étudier la distribution du champ électrique de surface d'électrodes à membrane avec différentes nanostructures catalytiques. Pendant ce temps, des expériences Raman in situ ont été réalisées dans une solution de Na2SO4 pour comprendre les sites catalytiques de l'électrode membranaire Co3O4 NNs/Ti sous un champ électrique. Le mécanisme de dégradation du phénol avec l’électrode membranaire Co3O4 NNs/Ti a également été discuté en fonction des analyses de solution de perméat. Enfin, afin de produire de l'hydrogène de haute pureté, nous avons conçu un ECMR de type H (PEM-ECMR) avec une membrane Nafion comme séparateur et une anode Co3O4 NNs/Ti, démontrant des performances de dégradation supérieures pour le phénol et l'eau de teinture, une production stable d'hydrogène pur. et une excellente stabilité à long terme. Le présent travail démontre que la cellule PEM-ECMR est flexible et pratique pour le traitement décentralisé des eaux usées et la production d'hydrogène pur sous un faible champ électrique.

« Ce serait une voie alternative prometteuse pour la récupération simultanée d’eau douce propre et la production durable d’énergie hydrogène, dont le coût énergétique pourrait être encore réduit s’il était alimenté à l’avenir avec des énergies renouvelables, comme l’énergie solaire. De plus, les eaux usées provenant des effluents industriels peuvent être utilisées comme source d’hydrogène via l’électrocatalyse de l’eau combinée au processus d’électrooxydation des polluants », explique Zhen.

Ces travaux inspireront le développement ultérieur de processus électrochimiques, de systèmes modulaires décentralisés de traitement de l'eau et de progrès technologiques pour le traitement de l'eau contaminée, parallèlement à la production d'énergie renouvelable à l'avenir.

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Yin, Z., Zhang, K., Ma. N. et coll. Électrode à membrane catalytique avec nanoréseaux de Co3O4 pour la récupération simultanée de l'eau et de l'hydrogène des eaux usées, Sci. Chine Mater. (2022). https://doi.org/10.1007/s40843-022-2168-y.

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10.1007/s40843-022-2168-y

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