Electrodo de membrana catalítica con nanoa de Co3O4.

Prensa científica china

imagen: Ilustración esquemática de PEM-ECMR tipo H con separador PEM y ánodo de membrana a base de Ti (izquierda); Foto del electrodo tubular de membrana Co3O4/Ti (centro); Imágenes SEM de los nanoarrays de Co3O4 (derecha).ver más

Crédito: ©Science China Press

Este estudio está dirigido por el Prof. Zhen Yin (Facultad de Ingeniería Química y Ciencia de Materiales, Universidad de Ciencia y Tecnología de Tianjin), el Prof. Jianxin Li (Laboratorio Estatal Clave de Membranas de Separación y Procesos de Membranas, Universidad de Tiangong) y el Prof. Ding Ma ( Facultad de Química e Ingeniería Molecular, Universidad de Pekín).

Una estrategia electroquímica robusta con un ánodo de membrana eficiente y estable (Co3O4 NN/electrodo de membrana de Ti) construido con matrices de nanoagujas de Co3O4 (Co3O4 NN) y la membrana de titanio para la oxidación electroquímica de contaminantes orgánicos refractarios y la producción simultánea de hidrógeno de alta pureza sobre el cátodo. en aguas residuales en condiciones neutras. Los electrodos de membrana con nanoestructuras de matriz 3D se construyeron mediante el ensamblaje de estructuras 1D que consisten en pequeñas nanopartículas de Co3O4 (NP) y se anclaron a la superficie de la membrana mediante un proceso de crecimiento in situ sin aglutinantes ni aditivos, lo que facilitó sustancialmente las reacciones electroquímicas. La nanomatriz 3D de Co3O4 podría mejorar drásticamente la adhesión interfacial íntima con los sustratos y, por lo tanto, facilitar el transporte de electrones y la transferencia de carga en la interfaz del electrodo y el electrolito, lo que conduciría a abundantes sitios catalíticos activos. La limitación de difusión/transferencia de masa para los electrodos de placa tradicionales se superó mediante la carga de nanoarrays 3D en la superficie del poro de la membrana y la configuración de flujo continuo.

El electrodo de membrana Co3O4 NNs/Ti en modo de flujo continuo exhibió una eficiencia de descontaminación superior y una excelente estabilidad para el tratamiento de aguas residuales durante el EAOP. Se empleó un método numérico de elementos finitos mediante COMSOL Multiphysics para investigar la distribución del campo eléctrico superficial de electrodos de membrana con diferentes nanoestructuras catalíticas. Mientras tanto, se realizaron experimentos Raman in situ en solución de Na2SO4 para comprender los sitios catalíticos del electrodo de membrana Co3O4 NNs/Ti bajo un campo eléctrico. También se discutió el mecanismo de degradación del fenol con el electrodo de membrana Co3O4 NNs/Ti según los análisis de la solución de permeado. Finalmente, para producir hidrógeno de alta pureza, diseñamos un ECMR tipo H (PEM-ECMR) con una membrana de Nafion como separador y el ánodo Co3O4 NN/Ti, demostrando rendimientos de degradación superiores para fenol y agua colorante, producción estable de hidrógeno puro. y excelente estabilidad a largo plazo. El presente trabajo demuestra que la celda PEM-ECMR es flexible y práctica para el tratamiento descentralizado de aguas residuales y la producción de hidrógeno puro en un campo eléctrico bajo.

“Sería una ruta alternativa prometedora para la recuperación simultánea de agua dulce limpia y la producción sostenible de energía de hidrógeno, cuyo coste energético puede reducirse aún más si en el futuro se alimentara con energías renovables, como la energía solar. Además, las aguas residuales de los efluentes industriales se pueden utilizar como fuente de hidrógeno mediante electrocatálisis del agua combinada con un proceso de electrooxidación de contaminantes”, dice Zhen.

Este trabajo inspirará un mayor desarrollo de procesos electroquímicos, sistemas modulares descentralizados de tratamiento de agua y avances tecnológicos para el tratamiento de agua contaminada en paralelo con la producción de energía renovable en el futuro.

Ver el artículo:

Yin, Z., Zhang, K., Ma. N. et al. Electrodo de membrana catalítica con nanoarrays de Co3O4 para la recuperación simultánea de agua e hidrógeno de aguas residuales, Sci. Materia China. (2022). https://doi.org/10.1007/s40843-022-2168-y.

Materiales científicos de China

10.1007/s40843-022-2168-y

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