基于界面双电层效应的高效离子分离方法

利用界面双电层效应，在一定电压下重金属离子通过可逆的配位反应优先吸附在电极/溶液界面双电层的内赫姆霍兹层，其他与电极材料官能团的配位能力较弱的非重金属离子则通过静电作用吸附在电极/溶液界面双电层的外赫姆霍兹层或扩散层，通过控制电压切换可达到分离重金属的目的。基于此，开发了一种含氮官能团修饰的功能化石墨烯层状多孔材料，其含氮官能团可以选择性络合重金属离子，而对碱金属或碱土金属无吸附作用。结果表明，该方法可有效分离水中低浓度的铅、镉和汞等离子，其操作电压低于1.2 V，能耗较低，电极材料经3000次工作和再生，容量能保持在98%以上，其寿命比传统吸附方法高两个数量级。

界面调控微场强化电化学过程：污染物转化与同步产能

针对被释放游离态金属离子，电化学快速定向无害化转化是关键环节。物质传递在电化学定向过程中起着至关重要的作用，在电化学还原六价铬过程中，静电斥力的存在不利于六价铬扩散至电极表面，因此传质成为限制六价铬还原效率提升的瓶颈。我们以廉价铁板为阳极，以高催化活性的聚苯胺纳米阵列为阴极，构建了铁-聚苯胺微场强化电化学转化体系。通过尖端放电效应，聚苯胺纳米阵列降低了铬还原的反应过电位；通过多物理耦合场有限元分析发现，聚苯胺纳米锥尖端的化学反应最剧烈；其反应焓变导致了尖端附近的液体温度升高，使纳米锥周围的溶液发生冷热对流，提高了微界面传质效率。低反应过电位和微流场强化传质使六价铬的还原效率提升了28%。

双金属电催化剂耦合穿透式电极实现原子氢的稳定和高效利用

电还原是一种高效去除水中污染物的电化学水处理技术。其中，间接还原产生的中间物质原子氢具有很强的催化还原活性，通常吸附在贵金属催化剂表面。然而，原子氢极易转化为氢气析出，从而降低了电还原效率。基于Pd基材料可有效地促进原子氢产生与存储，助金属的加入可提高反应活性和选择性，同时利用穿透式电极反应器可提高物质传递效率和调控电子转移的优点，本研究通过电沉积的方法制备了双金属Pd-In阴极材料，通过对电极材料的调控和反应器的优化，以期在原子氢湮灭前，最大程度上的稳定并利用原子氢，提高电化学反应速率。研究发现，助金属In的加入，使得Pd处于更富电子的状态，有利于中间体原子氢的表面吸附。以原子氢的有效形成和稳定为目的，实验研究了Pd和In的最佳原子比，实验表明Pd2In3的电还原效率最高。相比于仅含单金属Pd的阴极材料，在电还原去除水中溴酸盐过程中，还原动力学常数从0.009min-1提高到了0.029 min-1。密度泛函理论计算表明，Pd2In3可以降低电还原过程中的反应能垒，使其更利于原子氢的表面吸附和稳定。将该电极材料填充在穿透式电极反应器中，传质效果的提高增加了表面吸附原子氢的利用效率，相同条件下的溴酸盐还原效率可提高7.5倍以上。本工作通过高性能电催化剂的设计，稳定非均相还原反应过程的中间活性物质原子氢，并通过穿透式电极高效利用表面吸附的活性物质，进一步提升电化学反应效率。

电化学诱导“高价态金属”直接转化废水中有机组分

针对自由基寿命短、诱导所需能耗高的问题，提出了“高价态金属”介导的直接电化学氧化过程，并以此设计制备了单元、多元复合过渡金属磷化物阳极。结合原位光谱学、电子谱学，深入研究了电化学过程中电极阳极界面“高价态金属”活性位的形成过程；明确了电荷界面累积，诱导活性物种生成这一客观规律；发现可通过多元金属复合，电极微观结构调控可降低“高价态金属”活性位的形成能垒，实现低能耗下活性位的快速累积。在尿素、甲酸盐等有机污染物存在下，发现具有高氧化电位的“高价态金属”活性物可完成对有机污染物的快速降解，以此明确电荷累积-“高价态金属”诱导-“高价态金属”转化这一直接电化学除污过程。同时，为强化直接电化学氧化过程，研制了穿透式电化学反应器，通过提升传质效率强化金属活性位的有效使用效率，提高电化学过程中的法拉第转移效率。

多组相自由基协同强化污染物去除过程

结合多种污染物转化能量变化曲线，相较于单一氧化（还原）降解过程，不同属性活性物质高效协同可强化净水效率。针对含路易斯碱基团有机污染物，通过研究发现，污染物去除过程从还原型活性物质加氢反应开始，氧化型活性物质的后续介入加速中间产物快速解离，协同实现此类有机物的快速转化。通过弱电还原沉积钯，高分散自由基“栖息层”于阴极表面，原位诱导部分氢自由基转化过氧化氢产羟基自由基，构建氧化-还原型自由基协同污染物降解体系。相较于单一电还原脱卤过程，协同强化实现脱氯效率约1.4倍、矿化效率15.0倍以上提升。针对氯、硝基共取代有机污染物，节电50.0%工况下，氧化-还原协同不仅能>98.5%脱氯，还可完成>58.9%矿化、>87.4%氮素彻底转化效率。

多结构过渡金属磷（硫）化物阳电极设计及高效降解污染物

针对金属络合物特殊稳定的化学结构，发现电化学氧化、还原协同是金属络合物破络的关键，提出多过程协同强化破络过程。针对Ni-EDTA等金属络合物，以强化电子传递和利用效率为核心机制，研制了快速破络、金属回收的光助电反应器。择选二氧化钛纳米阵列为阳极，通过对材料表面微纳结构进一步优化，高度凝缩传质和反应界面于微纳空间，实现微流场、微电场、微光场多场耦合，在阳极附近完成自由基主导的间接氧化、高价态金属直接氧化协同氧化有机组分，高效脱稳金属络合物。同时，脱稳络合物快速迁移至阴极，使其进一步脱稳至金属单质（或游离态金属离子），完成最终破络过程。