氧摻雜碳?xì)怏w擴(kuò)散電極用于電催化產(chǎn)活性氧抗菌防污研究

李建華, 王 楠, 段繼周, 侯保榮

氧摻雜碳?xì)怏w擴(kuò)散電極用于電催化產(chǎn)活性氧抗菌防污研究

李建華1, 2, 王 楠1, 段繼周1, 侯保榮1

(1. 中國(guó)科學(xué)院海洋研究所 海洋環(huán)境腐蝕與生物污損重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266071; 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

過氧化氫(H2O2)等活性氧(ROS)物質(zhì)因具有綠色高效的特點(diǎn), 在廢水處理、殺菌消毒等領(lǐng)域受到研究者廣泛關(guān)注。利用電催化生成H2O2是一種實(shí)時(shí)提供活性氧物質(zhì)的有用方法。然而, 目前報(bào)道的大多數(shù)高性能催化材料都是粉體形式, 不便于在實(shí)際場(chǎng)景中的應(yīng)用。因此, 制備可直接應(yīng)用的電極材料顯得尤為重要。本研究利用噴涂-熱解的制備方法, 制備了高活性氧催化活性的氧化炭黑(O?CB)/多孔碳?xì)蛛姌O, 通過聚四氟乙烯(PTFE)的修飾優(yōu)化電極表面的氧氣傳質(zhì), 成功制備氧摻雜碳?xì)怏w擴(kuò)散電極。研究結(jié)果表明, O?CB/PTFE-5 wt %電極具有最高的催化性能, 其合成H2O2的速率達(dá)27.19 mg·L–1(mg catalyst)–1·cm–1·h–1。海洋典型污損微生物假單胞菌(sp.)的抗菌實(shí)驗(yàn)表明, 該電極電催化作用60 min產(chǎn)生的活性氧對(duì)sp.的殺菌率可達(dá)到97.69%, 作用120 min的殺菌率可達(dá)到99.99%。

活性氧; H2O2; 電催化殺菌; 氧化炭黑; 抗菌防污

隨著我國(guó)海洋強(qiáng)國(guó)的建設(shè)和海洋經(jīng)濟(jì)的發(fā)展, 海洋中各類工程設(shè)施(海洋平臺(tái)、海水管路、海洋浮標(biāo)等)不斷增加, 當(dāng)這些設(shè)施處在高生物活性的海洋環(huán)境時(shí), 海水中的微生物在短時(shí)間內(nèi)就會(huì)在其表面附著形成微生物膜, 隨之多細(xì)胞藻類及污損生物幼蟲附著, 形成肉眼可見的生物污損。生物污損一旦形成, 不僅會(huì)導(dǎo)致船舶航行阻力增大, 增加能耗和運(yùn)行成本, 而且會(huì)引起海水管路堵塞、平臺(tái)載荷增加以及設(shè)施的腐蝕問題, 減少工程服役壽命, 造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。過去人們基于物理、化學(xué)和生物原理開發(fā)了一系列的海洋生物污損控制技術(shù)[1]。但是, 現(xiàn)有防污技術(shù)仍不能完全滿足對(duì)海洋環(huán)境保護(hù)的要求, 研究綠色無毒的海洋污損防控技術(shù)具有重要意義。傳統(tǒng)電解防污方法如電解銅-鋁和電解產(chǎn)氯, 因具備有效防污效果而廣泛應(yīng)用于海上平臺(tái)、船舶及濱海電廠等場(chǎng)景[2-3]。但釋放的有毒的銅離子或三氯甲烷等消毒副產(chǎn)物可能對(duì)海洋生物及生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生直接或間接的影響[4-5]。

電催化生成活性氧殺菌, 因低能耗、高效環(huán)保, 無消毒副產(chǎn)物等特點(diǎn), 成為一種非常具有應(yīng)用前景的電化學(xué)防污技術(shù)[6]。在持續(xù)通電或者周期性通電的情況下, 電極材料通過電催化氧還原產(chǎn)生H2O2等活性氧物質(zhì)[7-8], 該活性氧能阻止細(xì)菌在設(shè)施表面寄生定植形成生物膜, 在污損形成過程早期殺滅細(xì)菌, 以進(jìn)而達(dá)到防止海洋生物附著的效果, 且活性氧作用后產(chǎn)物為氧氣和水, 綠色環(huán)保, 對(duì)水體無危害。

電催化劑的設(shè)計(jì)對(duì)電極的活性和選擇性而言至關(guān)重要。已報(bào)道高性能的鉑-汞、鈀-金等貴金屬基催化劑由于貴金屬稀缺, 使用成本高等特點(diǎn)限制了他們的應(yīng)用場(chǎng)景[9-11]。與之相比, 氧摻雜碳材料(oxygen-doped carbon materials)被證明在電催化氧還原反應(yīng)合成H2O2中表現(xiàn)出良好的催化性能[12-14]。與其他類型的催化劑相比, 炭黑具有經(jīng)濟(jì)高效、成本低、易于獲取等優(yōu)點(diǎn), 更加利于實(shí)際應(yīng)用。

過去人們更多地關(guān)注于高活性催化劑材料的制備,然而, 電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的研究也同樣重要[15-17]。相較于傳統(tǒng)的平面電極(如金屬箔, 玻碳等), 氣體擴(kuò)散電極(GDE)可以使催化劑層周圍保持較高的氣體濃度, 從而改善傳質(zhì)過程[18-19]。本文利用商用炭黑作為催化原料, 并經(jīng)過簡(jiǎn)單的氧化處理方法進(jìn)行改性制備氧化炭黑材料, 并進(jìn)一步通過兩步“噴涂-熱解”工藝將改性炭黑粉末和聚四氟乙烯粉末結(jié)合到碳?xì)只w上制備O?CB/PTFE氣體擴(kuò)散電極, 考察了該電極在0.5 mol·L-1氯化鈉溶液中H2O2的產(chǎn)率, 初步探索了其對(duì)典型的海洋中好氧菌sp的實(shí)際抗菌效果。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與試劑

炭黑粉末(XC-72R)購(gòu)買自Fuel Cell Store。碳?xì)仲?gòu)自于臺(tái)灣碳能科技。質(zhì)子交換膜(Nafion N117), Nafion分散液(D520, 5 wt %)采購(gòu)自美國(guó)杜邦公司。聚四氟乙烯微粉(PTFE, 5 μm), 無水硫酸鈰(99.95%)采購(gòu)自上海麥克林公司。氯化鈉(AR)、氯化鉀(AR)、無水乙醇(AR)、濃硝酸(AR)、瓊脂粉、酵母提取物、磷酸氫二鈉(AR)、磷酸二氫鉀(AR)均采購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán), 所有試劑均使用前未經(jīng)進(jìn)一步純化。

1.2 O-CB及O-CB/PTFE電極制備

1.2.1 炭黑的氧化處理

將600 mg商用炭黑添加到600 mL, 12.0 mol·L–1硝酸中。然后, 將上述溶液在85 ℃溫度下水浴冷凝回流3 h。反應(yīng)結(jié)束后, 自然冷卻后進(jìn)行離心, 用水和乙醇反復(fù)清洗, 直到pH值為中性。最后, 將氧化炭黑(O?CB)樣品在真空干燥箱中于70 ℃下干燥12 h, 得到氧化處理后的樣品。

1.2.2 “噴涂-熱解”制備O?CB/PTFE電極

將碳?xì)植眉舫沙叽?.0 cm×1.5 cm, 并在去離子水和乙醇中依次超聲清洗15 min后, 將其在2.5 wt %的PTFE懸浮液中浸泡10 min, 進(jìn)行疏水化處理。將處理過的碳?xì)钟描囎尤〕? 放入真空干燥箱中60 ℃下進(jìn)行干燥, 干燥后置于管式爐中, 空氣條件下, 360 ℃煅燒30 min。

取2.0 mg的O?CB催化劑, 1 mL的無水乙醇制成催化劑墨水, 超聲30 min后, 使用5 mL微型噴槍均勻噴涂在預(yù)處理后的碳?xì)稚?。待溶液干燥? 使用噴槍分別噴涂不同比重(2.5 wt %、5 wt %、10 wt %、20 wt %)PTFE乳液, 其中, PTFE乳液的體積與催化劑墨水的體積相同為1 mL。置于60 ℃真空箱中干燥, 干燥后, 在360 ℃下煅燒30 min, 最終制備成不同PTFE修飾量的O?CB/PTFE電極(圖1)。

1.3 表征測(cè)試

材料的成分和晶體結(jié)構(gòu)通過在日本理學(xué)的Rigaku D/max-Ultima IV上使用Cu Kα輻射(λ= 0.154 06 nm)進(jìn)行廣角X射線衍射(XRD)分析來獲得。X射線光電子能譜(XPS)使用美國(guó)賽默飛世爾科技公司的Thermo Scientific K-Alpha進(jìn)行測(cè)試, 以Al Kα輻射源并通過C 1s峰能量為284.8 eV進(jìn)行校準(zhǔn)。樣品的形貌組成及結(jié)構(gòu)信息使用美國(guó)FEI公司的FEI Quanta 250型號(hào)的掃描電子顯微鏡(SEM)和FEI Tecnai F20型號(hào)的透射電子顯微鏡(TEM)獲得。使用全自動(dòng)比表面及孔隙度分析儀(Micromeritics ASAP 2460, 美國(guó))進(jìn)行N2吸脫附曲線測(cè)試, 以獲取材料的比表面積和孔結(jié)構(gòu)信息, 測(cè)試溫度為77.300 K。紫外光譜使用日本日立公司的HitachiU-3900H型號(hào)紫外可見分光光度計(jì)進(jìn)行測(cè)定。接觸角的測(cè)量是通過德國(guó)Dataphysics公司的OCA20型號(hào)接觸角測(cè)量?jī)x完成。

1.4 電化學(xué)性能測(cè)試

1.4.1 旋轉(zhuǎn)環(huán)盤電極(RRDE)測(cè)試

室溫下, 在0.5 mol·L–1NaCl溶液中, 分別以石墨電極和飽和甘汞電極作為對(duì)電極和參比電極, 配制O?CB催化劑墨水, 并吸取適量的催化劑滴涂到環(huán)盤電極上, 等待自然干燥, 作為工作電極。分別在氧氣飽和與氮?dú)怙柡蜅l件下, 進(jìn)行循環(huán)伏安(CV)測(cè)試, 并在1 600 r/min轉(zhuǎn)速下進(jìn)行線性掃描伏安(LSV)測(cè)試。H2O2的選擇性和轉(zhuǎn)移電子數(shù)按照如下公式進(jìn)行計(jì)算[20]:

其中,j為盤電流密度(mA·cm–2),j為環(huán)電流密度(mA·cm–2),為收集系數(shù)(0.37)。

1.4.2 電催化生成H2O2含量測(cè)試

圖2 吸光度與Ce(SO4)2物質(zhì)的量濃度的線性關(guān)系曲線圖

1.5 殺菌性能

1.5.1 細(xì)菌培養(yǎng)

實(shí)驗(yàn)使用本課題組分離獲得的菌株sp., 并由海洋微生物菌種保藏管理中心完成菌種鑒定。實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行活化, 接種到無菌Luria-Bertani (LB)液體培養(yǎng)基中, 培養(yǎng)基成分為: 酵母提取物5 g, 氯化鈉5 g和胰蛋白胨10 g溶于1 000 mL二次水中, 在121 ℃下高壓蒸汽滅菌20 min。在搖床中180 r/min進(jìn)行過夜培養(yǎng), 培養(yǎng)溫度為37 ℃。利用涂板計(jì)數(shù)法結(jié)合測(cè)量光密度值(OD值)確定細(xì)菌濃度: 首先, 將培養(yǎng)后的菌液進(jìn)行逐級(jí)濃度梯度稀釋, 然后, 取100 μL稀釋的菌液涂板, 每一個(gè)稀釋濃度涂3個(gè)平板, 培養(yǎng)12 h。同時(shí)對(duì)初始的菌液進(jìn)行OD值的測(cè)定。最后, 根據(jù)每種細(xì)菌形成的平均菌落單元(cfu)和稀釋倍數(shù), 確定菌株的濃度。在進(jìn)行電解實(shí)驗(yàn)前, 再次測(cè)定菌液OD值, 對(duì)菌液濃度進(jìn)行校正。將細(xì)菌培養(yǎng)液, 4 000 r/min離心5 min, 從培養(yǎng)液中分離出菌株。然后, 使用磷酸鹽緩沖溶液(PBS)稀釋菌株, 得到濃度約為107cfu·mL–1的菌液。本實(shí)驗(yàn)以～107cfu·mL–1的sp.的PBS溶液進(jìn)行抗菌實(shí)驗(yàn)。PBS溶液的成分為: 8 g氯化鈉, 0.2 g氯化鉀, 1.44 g磷酸氫二鈉, 0.44 g磷酸二氫鉀溶于1 000 mL二次水中, 調(diào)節(jié)pH到7.4, 在121 ℃下高壓蒸汽滅菌20 min。

1.5.2 殺菌測(cè)試

取30 mL 約107cfu·mL–1的sp的PBS緩沖溶液作為電解質(zhì)溶液。并根據(jù)1.4.2實(shí)驗(yàn)的結(jié)果, 進(jìn)一步選取最高H2O2產(chǎn)量的O?CB/PTFE電極為工作電極, 抗菌實(shí)驗(yàn)在0.1 V vs RHE電位下進(jìn)行恒電位()測(cè)試, 測(cè)試時(shí)間為210 min。在0 min、15 min、30 min、60 min、120 min、150 min、200 min時(shí)間點(diǎn)間隔取樣, 取出電解質(zhì)溶液通過逐級(jí)濃度梯度稀釋并進(jìn)行涂板計(jì)數(shù)。培養(yǎng)一定時(shí)間后對(duì)平板觀察拍照, 進(jìn)而計(jì)算得出殺菌率, 評(píng)價(jià)殺菌效果。

2 結(jié)果與討論

2.1 氧化炭黑的結(jié)構(gòu)表征

氧化前后炭黑的形貌通過SEM和TEM表征, 通過結(jié)果可以看出樣品整體呈現(xiàn)典型的不規(guī)則的球形顆粒形貌。對(duì)比觀察氧化處理前后的炭黑樣品, 發(fā)現(xiàn)氧化處理后, 催化材料原有形貌沒有改變(圖3)。

XRD結(jié)果表明O?CB與CB均在25°和40°有明顯的衍射峰, 分別對(duì)應(yīng)石墨碳的(002)和(100)晶面。通過XRD譜上(002)峰的強(qiáng)度可以反映碳材料的石墨化程度, 一般而言石墨化程度越高, 碳材料的導(dǎo)電性和化學(xué)穩(wěn)定性越好[23]。因此, 氧化處理不會(huì)破壞炭黑的結(jié)構(gòu), 同時(shí), 保留了炭黑的高石墨化度的特點(diǎn)(圖4)。

圖3 氧化前后炭黑材料的形貌圖

圖4 CB和O?CB的X射線衍射圖

此外, 我們通過氮?dú)馕摳綄?shí)驗(yàn)表征材料內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)和材料的比表面積。一般而言, 催化劑的比表面積越高, 可以承載更多的催化活性位點(diǎn), 因而具有更高的電催化活性[24]。結(jié)果表明O?CB樣品的平均孔徑為95.611 ?, 為介孔結(jié)構(gòu), 且樣品在0.8～ 1.0范圍內(nèi)出現(xiàn)回滯環(huán)(圖5), 且與CB的比表面積(115.500 4 m2/g)相比, 處理后的O?CB(342.876 8 m2/g)具有更高的比表面積, 這表明通過化學(xué)氧化處理不僅保持材料原有結(jié)構(gòu)和形貌不變, 而且能夠增加O?CB的比表面積, 使其具有更高的催化活性。

羧基, 羰基, 醚鍵等含氧官能團(tuán), 被認(rèn)為是氧摻雜碳材料的氧還原反應(yīng)產(chǎn)生H2O2催化活性來源[15, 25-26]。通過XPS表征可以獲得表面元素的種類和價(jià)態(tài)信息。XPS結(jié)果表明, C 1s可以分為C=C鍵(284.8 eV), C?C鍵(285.5 eV), C?O鍵(286.8 eV), O=C?O鍵(289.0 eV) (圖6a)。O 1s可以擬合為531.8 eV、532.9 eV、534 eV、536 eV 4個(gè)峰, 分別對(duì)應(yīng)C=O鍵, C?O?C或COOH鍵, C?OH鍵, 化學(xué)吸附氧(圖6b)[27]。以上結(jié)果證明, 通過硝酸氧化處理后, 獲得的O?CB表面引入了多種氧官能團(tuán), 其中的C?O?C鍵或?COOH含量最高。

圖5 O?CB催化劑的氮?dú)馕摳角€

2.2 氧化炭黑電催化性能評(píng)價(jià)

為了評(píng)價(jià)O?CB的電催化性能, RRDE技術(shù)被用于測(cè)定O?CB在中性的氯化鈉溶液(pH≈7)中的電催化性能。首先, 通過對(duì)比氮?dú)怙柡腿芤簵l件和氧氣飽和溶液條件下的CV曲線, 結(jié)果發(fā)現(xiàn)O?CB對(duì)氧還原反應(yīng)(ORR)具有明顯的電催化活性(圖7)。

利用旋轉(zhuǎn)環(huán)盤電極技術(shù)測(cè)得O?CB在1 600 r/min轉(zhuǎn)速下的極化曲線, 通過計(jì)算公式得出該催化材料的轉(zhuǎn)移電子數(shù)為2.7, H2O2選擇性約為60%(圖8)。上述電化學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明所制備的O?CB催化劑具有較高的催化活性和H2O2選擇性, 在中性氯化鈉溶液中能夠電催化氧還原反應(yīng)產(chǎn)生H2O2。

圖6 O?CB催化劑的XPS精細(xì)譜圖

圖7 O?CB催化劑在0.5 mol·L–1的氯化鈉溶液中的CV曲線圖

圖8 基于RRDE獲取的極化曲線所計(jì)算的H2O2選擇性和轉(zhuǎn)移電子數(shù)結(jié)果

2.3 O?CB/PTFE電極的電催化性能分析

通過SEM觀察, 碳?xì)只壮尸F(xiàn)光滑的碳纖維交織組成的多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu), 通過噴涂-熱解過程, 將O?CB催化劑包覆到碳纖維的表面而使其表面呈現(xiàn)疏松多孔的形貌, 對(duì)單根纖維表面進(jìn)行放大觀察尤為明顯(圖9)。此外, 當(dāng)噴涂PTFE比重為20 wt %時(shí), 在碳纖維表面出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象, 這是由于過多的PTFE會(huì)導(dǎo)致結(jié)塊(圖9d), 這種團(tuán)聚的催化劑可能會(huì)影響實(shí)際的電催化性能。

此外, 為了評(píng)估PTFE對(duì)電極表面浸潤(rùn)性及氣體界面調(diào)控的影響, 我們測(cè)試電極表面的固-液接觸角, 結(jié)果表明不同PTFE修飾量的電極表面的接觸角均大于130°, 呈現(xiàn)為疏水化表面。這證明了PTFE有助于電極表面疏水界面層的形成, 然而改變用量對(duì)電極表面的疏水性的影響差別并不明顯(圖10)。

基于硫酸鈰比色法原理, 結(jié)合紫外可見吸收光譜, 經(jīng)過進(jìn)一步計(jì)算得到H2O2的電催化產(chǎn)生速率(圖11)。對(duì)比不同含量PTFE修飾的電極在0.1 V、0.2 V、0.3 V vs RHE電位下的H2O2產(chǎn)生速率, 可以發(fā)現(xiàn)在不同電位下, 噴涂PTFE比重為20 wt %的均明顯低于其他用量。且5 wt %對(duì)應(yīng)的電極產(chǎn)率最高, 在0.1 V vs RHE電位下可以達(dá)到27.19 mg·L?1(mgcatalyst)?1·cm?1·h?1, 10 wt %的電極次之。證明PTFE的用量確實(shí)會(huì)影響電極實(shí)際電催化產(chǎn)生的H2O2的量, 與SEM觀察到的結(jié)果相符。這可能是由于PTFE用量過多導(dǎo)致產(chǎn)量明顯降低。另外, PTFE本身不導(dǎo)電且沒有電催化活性, 過多的添加會(huì)阻礙電子傳遞, 降低催化位點(diǎn)的暴露, 從而降低實(shí)際的電催化產(chǎn)生H2O2的效果; 其次, 使用過少的PTFE修飾, 導(dǎo)致電極表面的疏水界面層不穩(wěn)定,從而不利于形成氧氣擴(kuò)散傳質(zhì)的固-液-氣三相界面層, 進(jìn)而限制了整個(gè)電催化過程的發(fā)生[28-29]。因此, 適量的PTFE修飾不僅有利于電子傳遞, 而且利于氧氣擴(kuò)散, 通過優(yōu)化PTFE的用量, 可以提高電催化產(chǎn)生H2O2的實(shí)際產(chǎn)量。當(dāng)PTFE添加量為5 wt %時(shí), 對(duì)氧氣擴(kuò)散和電子阻礙作用達(dá)到一個(gè)相對(duì)平衡的狀態(tài), 此時(shí)實(shí)現(xiàn)相對(duì)更大的H2O2產(chǎn)量。

圖9 不同PTFE修飾量的O–CB/PTFE電極的掃描電鏡圖

注: (a) PTFE-2.5 wt %; (b) PTFE-5 wt %; (c) PTFE-10 wt %; (d) PTFE-20 wt %

圖10 不同PTFE修飾量的O?CB/PTFE電極表面的接觸角

注: (a) PTFE-2.5 wt %; (b) PTFE-5 wt %; (c) PTFE-10 wt %;(d) PTFE-20 wt %

圖11 不同PTFE修飾量的O?CB/PTFE電極在相應(yīng)電位下的H2O2產(chǎn)生速率

2.4 殺菌效果分析

為了測(cè)試O?CB/PTFE-5 wt %電極實(shí)際的電催化殺菌消毒效果, 我們選擇sp作為模式菌進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)[30]。為防止電解液成分對(duì)細(xì)菌存活狀態(tài)的影響, 我們選擇在中性pH的PBS電解液中進(jìn)行測(cè)試。根據(jù)平板計(jì)數(shù)結(jié)果, 計(jì)算得到相應(yīng)電催化過程的殺菌率曲線, 誤差棒代表3個(gè)平行培養(yǎng)平板間誤差(圖12)。從結(jié)果來看, O?CB/PTFE-5 wt %電極在電催化30 min內(nèi)可以殺滅48.5%的細(xì)菌, 60 min內(nèi)即可滅殺97.69%的細(xì)菌, 對(duì)sp.實(shí)現(xiàn)較強(qiáng)的抗菌作用, 120 min內(nèi)可殺滅99.99%以上的細(xì)菌。

圖12 殺菌率隨處理時(shí)間的關(guān)系曲線

相同稀釋倍數(shù)涂布的平板, 經(jīng)過過夜培養(yǎng)后, 通過對(duì)比平板上細(xì)菌的菌落結(jié)果, 可以直觀地看出由于活性氧逐漸積累, 細(xì)菌隨著處理時(shí)間增加而被徹底殺滅。當(dāng)處理時(shí)間為60 min時(shí), 細(xì)菌幾乎不生長(zhǎng)。持續(xù)作用120 min, 平板上沒有細(xì)菌菌落生長(zhǎng)。因此, O?CB/PTFE-5 wt %電極用于電催化產(chǎn)生的H2O2等活性氧物質(zhì)作用于sp, 在短時(shí)間內(nèi)就呈現(xiàn)出很好的殺菌效果(圖13)。

圖13 假單胞菌在不同電解時(shí)間取樣涂布的平板上生長(zhǎng)情況

3 結(jié)論

本文利用炭黑為原料, 通過化學(xué)氧化的方法在炭黑表面引入豐富含氧官能團(tuán)并利用噴涂-熱解工藝成功制備O?CB/PTFE電極。該電極在中性氯化鈉介質(zhì)中高效電催化產(chǎn)H2O2。研究結(jié)果表明, 適量的PTFE修飾可以有利于電極表面氧氣擴(kuò)散, 進(jìn)而提高H2O2產(chǎn)生速率; O-CB/PTFE-5 wt %電極最高可以達(dá)到27.19 mg·L–1·(mgcatalyst)–1·cm–1·h–1產(chǎn)生速率。以sp為海洋污損微生物的模式菌, 進(jìn)一步評(píng)價(jià)O?CB/PTFE-5 wt %電極電催化產(chǎn)生活性氧的殺菌效果。殺菌實(shí)驗(yàn)證明利用該電極可以電催化持續(xù)不斷產(chǎn)生活性氧, 在60 min內(nèi)即可滅殺97.69%的細(xì)菌, 對(duì)sp.實(shí)現(xiàn)較強(qiáng)的抗菌作用, 在120 min內(nèi), 對(duì)假單胞菌可達(dá)到99.99%的殺菌率。O?CB/PTFE電極制備方法簡(jiǎn)單, 成本低, 為探索電催化活性氧殺菌防污裝置提供了可能。利用電催化產(chǎn)活性氧為海洋污損防治的開展提供一種新的思路。

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Electrocatalytic production of reactive oxygen species with oxygen-doped carbon-based gas diffusion electrode for antibacterial antifouling

LI Jian-hua1, 2, WANG Nan1, DUAN Ji-zhou1, HOU Bao-rong1

(1. CAS Key Laboratory of Marine Environmental Corrosion and Bio-Fouling, Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Hydrogen peroxide (H2O2) and other reactive oxygen species (ROS) have gained considerable attention for wastewater treatment and disinfection because they are ecofriendly and highly efficient. The electrocatalytic production of H2O2is an effective method for generating reactive species in real time for on-site applications. However, most of the reported high-performance catalysts are synthesized in powder form, which is not conducive to direct application. Therefore, exploring novel electrode preparation methods for generating H2O2and ROS is particularly important. Herein, a spray-pyrolysis strategy is employed to deposit highly active oxidized carbon black (O?CB) catalysts onto a carbon felt substrate. Further, polytetrafluoroethylene (PTFE) is added to improve the oxygen diffusion on the electrode surface. The results show that the O?CB/PTFE-5 wt% electrode can achieve efficient H2O2production (27.19 mg·L–1·(mg catalyst)–1·cm–1·h–1). Results of antibacterial experiments demonstrate that electrocatalytic production of ROS using an O?CB/PTFE electrode can achieve disinfection efficiencies of 97.69% and 99.99% within 60 and 120 min, respectively, when directly applied to the typical marine fouling microorganismsp.

reactive oxygen species; H2O2; electrocatalyticdisinfection; oxidized carbon black; antibacterial antifouling

Mar. 20, 2023

[Key Research Program of Frontier Sciences, Chinese Academy of Sciences, No. ZDBS-LY-DQC025; Shandong Provincial Natural Science Youth Fund Project, No. ZR2022QD001]

Q958

A

1000-3096(2023)10-0001-09

10.11759/hykx20230320001

2023-03-20;

2023-04-21

中國(guó)科學(xué)院基礎(chǔ)前沿科學(xué)研究計(jì)劃從0到1原始創(chuàng)新項(xiàng)目(ZDBS-LY-DQC025); 山東省自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目(ZR2022QD001)

李建華(1998—), 男, 山東泰安人, 碩士研究生, 主要從事電催化污損防治技術(shù)研究, E-mail: lijianhua20@mails.ucas.ac.cn; 王楠(1989—),通信作者, 女, 助理研究員, 主要從事電催化防污研究, E-mail: wangnan123@qdio.ac.cn; 段繼周(1972—), 通信作者, 男, 研究員, 主要從事微生物腐蝕與生物污損工作, E-mail: duanjz@qdio.ac.cn

(本文編輯: 趙衛(wèi)紅)