氯代芳香污染物（CAPs）广泛存在于农药、医药、染料等合成领域产生的工业废水中。很多CAPs具有难降解性和高生物毒性，排放到环境中会对人类健康和生态造成严重危害。CAPs的难降解性和高生物毒性主要来源于其分子上的氯原子。
化学工程学院徐颖华课题组和环境学院於建明课题组合作报道了一种钯（Pd）催化电化学氢化脱氯（EHDC）处理废水中氯代芳香污染物的新模式——先富集，后EHDC处理。在新模式下，5大类氯代污染物可以高效率地转化为高附加值化学品，克服了目前EHDC处理氯代污染物存在的 Pd利用率低、电流密度低和电流效率低等难题。
为了能将高浓度CAPs高效地转化为高附加值化学品，团队首先通过聚乙烯吡咯烷酮（PVP）辅助电沉积的方法制备了钯纳米颗粒修饰泡沫镍电极Pd NPs/Ni。如Fig. 1 A, B and C所示，所制备Pd NPs/Ni电极上锚定着十分细小的直径约1.72 nm的钯纳米颗粒。同时，如Fig. 1 I所示，Pd NPs/Ni的电化学活性面积高于传统电沉积法制备的钯修饰泡沫镍电极（Pd/Ni, 直径约20 nm）。这意味着新方法制备的Pd NPs/Ni拥有更大的反应面积和更丰富的活性位点，有利于提高其在EHDC中的表现。
Fig. 1 Structural characterization of Pd NPs/Ni (A, B and C), Pd/Ni and Ni foam. (A and B) SEM image of the Pd NPs/Ni. (C) TEM image of Pd NPs. (D and E) SEM image of the Ni foam. (F) SEM image of the Pd /Ni. (G) Size distributions of the Pd NPs. (H) X-ray diffraction patterns of Pd. (I) Cyclic voltammetry curves for anodic stripping of adsorbed
团队采用Pd NPs/Ni，优化了阴极液pH值、电流密度以及反应物浓度等条件。在优化条件下，团队评估了本方法的反应物范围，发现分别属于5大类的7种代表性CAPs能够以非常高的产率和选择性转化为单一的无氯产物。
fig. 2 Comparison of 3,6-D HDC performance in a glass H-cell (A and B) and a flow-through cell (C and D), V and k are average cell voltage and apparent reaction rate constant, respectively.
基于Pd NPs/Ni的三维结构，团队进一步设计了强制穿透式电解槽（Fig. 2 C）。与实验室常用的H型电解槽相比，该电解槽不仅电极距离近，而且能保证Pd NPs/Ni内表面反应液的流速非常快。与H型电池相比，强制穿透式电解槽不仅大大加快了反应速率（k提高了1.2倍），而且显著降低了槽电压（从11 V降至3.7 V）。反应的加速是优良传质所致，槽电压的显著降低得益于缩短的电极间距。
更重要的是，团队将真实的CAPs样品（从工厂获得的氯吡啶甲酸混合物，其通过大孔树脂吸附从工业3,6-二氯吡啶甲酸（3,6-D）生产过程排放的废水中富集）作为反应物进行了工业模拟。阴极电解液包括188 g/L（总浓度约为1 M）的氯吡啶甲酸混合物和1 M的NaOH水溶液。在强制穿透式电解槽中反应6小时后（电流密度为2.5~25 A/dm2），吡啶甲酸的产率为98.3%，电流效率约为68.5%（常规的低浓度下EHDC处理CAPs，电流效率一般小于20%，电流密度小于0.1 A/dm2），比电能消耗为4.6 Kwh Kg-1。Pd-NPs/Ni的Pd有效因子为615 g PA g-1 h-1，远远高于文献报道。这可以极大地节省工业Pd催化EHDC的投资和运行成本。
该成果以“New pattern of Pd-Catalyzed electrochemical hydrodechlorination in conversion of chlorinated aromatic pollutants to Value-Added chemicals” 为题发表于国际刊物《Chemical Engineering Journal》。
论文发表
化学工程学院吴焕、环境学院陈红絮为论文的共同第一作者，化学工程学院徐颖华副研究员、环境学院於建明教授为论文通讯作者。