二次电池材料氢氧化镍新用途 | Science Bulletin

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【成果简介】

       近日，上海交通大学环境科学与工程学院赵一新教授（通讯作者）课题组为了解决过硫酸根激活反应需要高氧化还原电位这一关键问题，另辟蹊径地利用了具有良好的氧化还原电位可调节性以及其优异的可逆性的二次电池材料。该研究已在Science Bulletin 2018年第5期发表，题为“Secondary battery inspired α-nickel hydroxide as an efficient Ni-based heterogeneous catalyst for sulfate radical activation”。

      该研究首先选取了合成简单、环境友好的α-Ni(OH)₂，并将其用于激发过硫酸根（PDS）或单过硫酸根（PMS），利用产生的•SO₄^-降解有机污染物。α-Ni(OH)₂在反应过程中很容易在表面形成NiOOH，并且α-Ni(OH)₂/NiOOH之间的氧化还原反应是可逆的，这使得Ni²⁺/Ni³⁺的循环反应更容易发生，从而实现了催化剂对PDS或PMS的活化。相比于Co基催化剂只能激活PMS，α-Ni(OH)₂可以激活PMS和PDS，更为重要的是，虽然α-Ni(OH)₂/PMS比均相的Co/PMS效果差，但是，其对污染物的降解效果是Co₃O₄/PMS体系的3倍。

   相比于PMS，PDS价格更低，性质更稳定，因此，进一步研究了α-Ni(OH)₂/PDS类芬顿催化体系对苯酚的矿化能力。结果表明，该体系对TOC的去除率超过90％，循环使用四次，催化体系依然表现出优异的矿化能力，同时，催化剂在反应前后，晶体结构和微观形貌变化不大，充分证明了该催化剂在使用过程中优异的稳定性。

    该研究还揭示了α-Ni(OH)₂/PDS类芬顿催化体系降解污染物的机理。α-Ni(OH)₂中的Ni(II)可被PDS氧化成Ni(III)，伴随有•SO₄^-的产生（1）。一部分•SO₄^-直接参与有机污染物的降解，另一部分将水氧化形成•OH（2），实现对有机物的矿化。随后，在形成的NiOOH中，Ni(III)与PDS反应形成•S₂O₈^-（3）。该自由基既可以直接参与污染物的降解，也能发生歧化反应，形成•SO₄^-（4）。催化剂通过α-Ni(OH)₂/NiOOH之间的可逆反应，激发PDS，实现体系对有机污染物的降解。

Ni(II) + S₂O₈^2- → Ni(III) + SO₄^2- + •SO₄^-     (1)

 •SO₄^-   + H₂O → SO₄^2- + H⁺ + •OH            (2)

Ni(III) + S₂O₈^2- → Ni(II) + •S₂O₈^-                  (3)

 •S₂O₈-  + SO₄^2- → •SO₄^- + •S₂O₈^2-               (4)

【图文导读】

图1. α-Ni(OH)2纳米片的物理化学性质和环境催化性能。

图2.不同催化剂对PDS和催化剂的催化作用苯酚的降解。

【小结】

   首次报道了一种Ni基的异相类芬顿催化剂α-Ni(OH)₂，用于激活PMS以及PDS，其催化性能优于Co₃O₄纳米颗粒。该基于二次电池材料α-Ni(OH)₂及其有效的氧化还原循环反应，有望延伸到其他二次电池材料作为潜在催化剂，应用于深度氧化降解有机废水。

致谢

国家自然科学基金(No. 21777096、No. 21777097)和中国博士后基金(2017M621483)资助。

通讯作者简介

赵一新，上海交通大学环境科学与工程学院教授、博士生导师。2002年和2005年毕业于上海交通大学，获得应用化学学士和硕士学位。2010年毕业于凯斯西储大学（Case Western Reserve University）获得化学博士学位，博士期间主要研究开发应用于能量转化的功能材料。博士毕业后先后在宾州州立大学和美国可再生能源国家实验室从事可再生能源方面的研究。2013年入选“青年千人计划”并入职上海交大担任特别研究员，2018年晋升为教授，2015年入选教育部霍英东青年基金，2017年入选上海市“曙光学者”。

相关阅读

Yue D, Qian X, Ren M, et al. Secondary battery inspired α-nickel hydroxide as an efficient Ni-based heterogeneous catalyst for sulfate radical activation. Sci Bull, 2018, 63(3): 278-281

https://doi.org/10.1016/j.scib.2018.02.002

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