匹兹堡大学、德雷塞尔大学和布鲁克海文国家实验室的研究人员正在研究电化学臭氧产生(EOP)，以创造一种可持续的氯基水消毒替代品。他们的工作重点是了解EOP背后的分子过程，以开发高效、经济的催化剂。最近的发现表明了现有催化剂的催化活性和腐蚀性，为改进技术和扩大其在全球范围内的应用提供了新的方向。来源:SciTechDaily.com

　　匹兹堡大学、费城德雷塞尔大学和布鲁克海文国家实验室的研究人员正在合作揭开一个复杂的谜团，旨在使水消毒处理更可持续。

　　可扩展的电化学臭氧生产(EOP)技术对脏水进行消毒，可能有一天会取代今天使用的集中氯处理，无论是在现代城市还是偏远村庄。然而，在分子水平上对EOP知之甚少，以及如何使其成为可能的技术变得高效、经济和可持续。

　　他们的研究最近发表在《ACS催化》杂志上。主要作者是德雷克塞尔大学的博士生Rayan Alaufey，德雷克塞尔大学的研究人员包括化学和生物工程副教授Maureen Tang，博士后研究员Andrew Lindsay，博士生Tana Siboonruang和化学副教授Ezra Wood;联合首席研究员John A. Keith，化学与石油工程副教授，皮特大学研究生赵凌燕;还有来自布鲁克海文的秦武。

　　电化学臭氧生产中催化剂腐蚀与均相活性氧的相互作用。来源:美国科学院学报，2024,14,9,6868-6880

　　臭氧比氯的优点

　　“自19世纪以来，人们一直使用氯来处理饮用水，但今天我们更好地了解氯可能并不总是最好的选择。例如，EOP可以直接在水中产生臭氧，这是一种与氯具有相同消毒能力的分子。凯斯解释说:“与氯在水中稳定存在不同，臭氧在水中大约20分钟后就会自然分解，这意味着当人们从水龙头喝水、在游泳池游泳或在医院清洗伤口时，臭氧对人们的伤害较小。”凯斯也是皮特斯旺森工程学院能源学院的R.K.梅隆学院研究员。

　　“EOP用于可持续消毒在某些市场上很有意义，但要做到这一点，需要足够好的催化剂，而且由于还没有人找到足够好的EOP催化剂，EOP过于昂贵且能源密集，无法广泛使用。”我和我的同事们认为，如果我们能在原子水平上破译平庸的EOP催化剂的工作原理，也许我们就能设计出更好的EOP催化剂。”

　　研究北约催化剂的功效

　　解决EOP催化剂如何工作的奥秘对于理解如何更好地设计迄今为止已知的最有前途和毒性最小的EOP催化剂之一至关重要:镍和锑掺杂氧化锡(Ni/ Sb-SnO2，或NATO)。

　　基思说，这就存在着一个难题:北约的每一个成员国在帮助欧洲一体化进程中扮演着怎样的角色?臭氧是按照我们希望的方式催化形成的，还是因为催化剂分解而形成的，未来需要做的工作是使北约催化剂更稳定?

　　电子臭氧产生的表现和在分子水平上真正发生的调查。来源:约翰·基思

　　令人惊讶的是，研究人员发现它可能是两者的混合。

　　通过实验电化学分析、质谱分析和计算量子化学模型，研究人员创建了一个“原子尺度的故事线”来解释臭氧是如何在北约电催化剂上产生的。他们第一次发现，北约中的一些镍可能是通过腐蚀从电极中浸出的，这些镍原子现在漂浮在催化剂附近的溶液中，可以促进化学反应，最终产生臭氧。

　　“如果我们想制造出更好的电催化剂，我们需要了解哪些部分起作用，哪些部分不起作用。金属离子浸出、腐蚀和溶液相反应等因素可能会导致催化剂表面上是一种作用方式，而实际上是另一种作用方式。”

　　Keith指出，在其他研究人员进一步改进EOP和其他电催化工艺之前，确定腐蚀和化学反应在催化剂之外发生的普遍性是重要的一步。在他们的结论中，他们指出:“识别或反驳这些基本技术限制的存在，对于EOP和其他先进电化学氧化工艺的任何未来应用都至关重要。”

　　“我们知道电化学水处理在小范围内起作用，但更好的催化剂的发现将使其扩大到全球范围。下一步是在材料中寻找新的原子组合，这种材料更耐腐蚀，同时也能促进经济和可持续可行的EOP，”Keith说。

　　参考文献:“催化剂腐蚀和均相活性氧在电化学臭氧生产中的相互作用”，作者:Rayan Alaufey, Lingyan Zhao, Andrew Lindsay, Tana Siboonruang, Qin Wu, John A. Keith, Ezra Wood和Maureen Tang, 2024年4月18日，ACS催化。DOI: 10.1021 / acscatal.4c01317

　　这项研究是由美国国家科学基金会资助的。