高孔隙率碳基气体扩散电极在电芬顿 (EF) 过程中主要功能是驱动高效的原位过氧化氢 ($H_2O_2$) 生成。 通过利用高孔隙率结构，这些阴极极大地改善了氧气的传输和溶解，促进了反应降解有机污染物所需的氧还原反应 (ORR)。
这项技术的核心优势在于能够克服氧气在液体电解质中的低溶解度。通过创建气体、液体和固体相遇的特殊界面，这些电极确保了过氧化氢的持续供应，而过氧化氢是产生强羟基自由基的关键前体。
原位生成的机制
促进氧还原反应 (ORR)
阴极在 EF 过程中的核心运行目标是将氧气 ($O_2$) 转化为过氧化氢 ($H_2O_2$)。
标准电极通常在这方面遇到困难，因为氧气不易溶解在水中，限制了反应速率。高孔隙率气体扩散电极 (GDE) 通过将氧气直接输送到反应位点来解决这个问题。
驱动污染物降解
生成 $H_2O_2$ 并不是最终目标；它是芬顿反应的燃料。
一旦在阴极生成，$H_2O_2$ 就会与溶液中的铁催化剂发生反应。该反应产生羟基自由基，这是一种高活性物质，能够将复杂的有机污染物分解成无害的副产物。
结构的重要性
创建三相界面
这些电极的效率依赖于一种称为三相界面的独特物理现象。
这是固体电极催化剂、液体电解质和气体氧氧化剂相交的特定区域。这种结构允许高电流密度，而这是标准浸没式电极无法实现的。
高孔隙率和传质的作用
碳材料的“高孔隙率”不仅仅是一个结构特征；它是传质的功能要求。
通过提供巨大的表面积，多孔结构最大化了反应的活性位点数量。这显著增强了气体反应物向反应区的传输，确保系统在连续运行期间保持稳定和高效。
理解权衡
疏水粘合剂的必要性
为了维持精细的三相界面，电极不能仅仅像海绵一样吸水；它必须在润湿和气体可及性之间取得平衡。
这需要在碳基体中使用疏水粘合剂，例如聚四氟乙烯 (PTFE)。如果疏水性丧失，电极孔隙会被液体淹没，阻碍氧气进入，并停止 $H_2O_2$ 的生产。
对气体成分的敏感性
GDE 的高效率意味着它们对引入系统的气体类型高度敏感。
虽然氧气促进了必要的 $H_2O_2$ 生成，但引入氮气等惰性气体将有效抑制还原过程。这种敏感性对于控制或传感器应用很有用，但在降解过程中需要严格管理气体进料，以防止性能下降。
为您的目标做出正确的选择
为了优化您的电芬顿工艺，请考虑电极的功能如何与您的特定操作参数保持一致：
- 如果您的主要关注点是最大化污染物降解：确保您的气体进料富含氧气，并且电极孔隙率经过优化以防止淹没，从而确保持续的 $H_2O_2$ 供应。
- 如果您的主要关注点是过程监控或控制：利用电极的敏感性，通过切换气体进料至氮气来暂停反应化学过程，并为传感器建立基线。
最终，高孔隙率气体扩散电极不仅仅是一个被动的导体，而是一个复杂的反应器，是整个去污系统的“心跳”。
总结表：
| 特征 | 在电芬顿 (EF) 中的功能 | 主要优势 |
|---|---|---|
| 高孔隙率 | 最大化传质和活性反应位点 | 实现高电流密度和稳定性 |
| 三相界面 | 气体 ($O_2$)、液体（电解质）和固体（催化剂）的交汇处 | 克服氧气在水中的低溶解度 |
| ORR 促进 | 将 $O_2$ 直接转化为 $H_2O_2$ | 持续的羟基自由基生成燃料 |
| 疏水粘合剂 | 使用 PTFE 防止电极淹没 | 保持气体可及性以防止性能下降 |
| 气体敏感性 | 响应 $O_2$ 与 $N_2$ 进料 | 允许精确的过程控制和监控 |
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参考文献
- Yasser Bashir, Sovik Das. Critical assessment of advanced oxidation processes and bio-electrochemical integrated systems for removing emerging contaminants from wastewater. DOI: 10.1039/d3su00112a
本文还参考了以下技术资料 Kintek Solution 知识库 .
