浙工大化工王建国、钟兴团队在电化学高级氧化技术方面取得进展
在全球清洁水资源短缺与有机污染问题日益突出的背景下，电化学高级氧化技术凭借高效、可持续及可现场运行等优势，正成为绿色水处理的重要发展方向。作为核心氧化剂，次氯酸钠（NaClO）与活性氧物种（Reactive Oxygen Species, ROS）在消毒净化、环境修复和工业循环水处理中发挥着关键作用。然而，在中性自来水环境（pH ≈ 7, TDS 50-500 mg·L-1）下，析氯反应（Chlorine Evolution Reaction, CER）与电解水产活性氧（ROS）路径均面临动力学迟滞与副反应竞争的双重挑战，难以实现高效制备。目前广泛应用的RuO2-IrO2基DSA钛阳极虽然在酸性条件下具有优异的催化性能，但其贵金属成本高昂且资源稀缺，严重制约了规模化应用与产业化推广。因此，发展低成本、高稳定性的非贵金属调控电极体系以同时提升CER与ROS产率，成为当前电化学高级氧化水处理领域亟需突破的关键问题。
基于以上问题，化学工程学院钟兴教授、王建国教授团队和嘉兴大学曹勇勇副教授合作，构建出钌单原子锚定于IrCeOx/Co3O4复合载体的高效电催化剂（Ru SAs/IrCeOx/Co3O4）。该催化剂在模拟自来水条件下实现了稳定的氯生成与ROS产出，同时展现出优异的结构稳定性与长期运行耐久性。理论计算分析揭示Ru单原子通过电子耦合作用调控Co3O4的d带中心，从而优化*Cl中间体吸附能；而Ce3+/Ce4+可逆氧化还原对则通过动态氧空位调控维持电极结构稳定，有效提升了活性氯/氧物种生成的反应速率与选择性。进一步地，研究团队将该电催化剂集成至自主设计的流动式电解槽中，在真实自来水中实现了有机污染物（如环丙沙星）的快速降解，表现出超商用RuO2-IrO2基DSA电极的处理效率与运行寿命。本研究提出了一种单原子负载调控界面的低成本电极构筑策略，为电化学活性氯/氧物种的生成及高效清洁水处理技术的规模化应用提供了理论指导。
图1. Ru SAs/IrCeOx/Co₃O₄的制备示意图
图2. (a) 元素周期表局部；(b) 在TDS 200水体中部分过渡金属与镧系元素催化生成的活性氧物种与次氯酸钠比例
SEM和TEM分析结果表明，Ru SAs/IrCeOx/Co3O4电催化剂呈现多面体和棒状萤石结构。通过XRD证明了钌单原子/多组分金属氧化物电催化剂的准确物相构成。
图3. Ru SAs/IrCeOx/Co3O4的形貌表征图
图4. Ru SAs/IrCeOx/Co3O4的结构表征图和配位环境表征
本节主要研究元素掺杂（Co和Ce）对电催化剂CER活性及寿命的影响，比较了其他CER电催化剂的性能和寿命，结果表明Ru SAs/IrCeOx/Co3O4存在优势。
图5. 酸性条件下CER电催化活性的实验评估
本节研究验证了Ru SAs/IrCeOx/Co3O4在真实自来水环境下的高性能，并证实了其在中度盐度条件下的长期稳定性，其综合表现优于商用DSA基准电极。
图6. 中性条件下CER电催化活性的实验评估
为阐明电催化剂的反应机理，研究团队开展了系统的密度泛函理论计算。通过对比CeO2、IrO2、Co3O4及Ru单原子/Co3O4表面对氯离子的吸附行为，发现Ru位点与氯离子可形成独特的配位结构，且电荷转移量最高（0.48 |e|），表明其具有最强的氯离子活化能力。更重要的是，该催化剂表面生成氯气的能垒仅为0.44 eV，显著低于传统IrO2（1.46 eV）等对比材料，展现出优异的CER催化活性。为进一步验证催化剂在模拟自来水环境中的双功能特性，团队同步研究了电化学臭氧生成路径。研究发现，CeO2组分在*O活性物种生成与O-O偶联步骤中能垒最低（1.69 eV），表现出突出的EOP活性。关键中间体分析表明，CER与EOP反应均源于同一类活性中心，而Ru SAs/IrCeOx/Co3O4中CeO2与Ru单原子的协同作用，最终实现了在自来水体系中析氯与臭氧生成的双重催化功能。该研究为设计适用于中性水体的高效电氧化催化剂提供了理论依据与新材料策略。
图7. 机理研究
该工作进一步探讨了在电解产物为ROS和NaClO的中性TDS 200溶液中，降解有机污染物的性能。通过将高活性电催化剂与优化反应器设计相结合，该系统在连续流动条件下实现了动力学与质量传递的协同增强，极大促进了有机污染物的原位高效降解，为水处理提供了实用有效的解决方案。
图8. Ru SAs/IrCeOx/Co3O4的应用
整体而言，该研究构建了Ru单原子锚定的IrCeOx/Co3O4电极，稀土元素的引入利用其可逆氧化还原特性，显著提升了酸性电解液中的氯选择性，并在中性体系下激活了ROS生成，实现双功能电催化性能。实验与理论结果表明，Ru-Ce键的形成促进了电子转移与*Cl中间体的选择性吸附，而Ru单原子通过调控Co3O4的d带中心优化了吸附能。该催化剂在流动式电解槽中实现了超过95%的污染物去除率，展现出优异的稳定性与工程化应用潜力。 这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition上，文章的第一作者是浙江工业大学陈龙和湖州学院彭小革，通讯作者是浙江工业大学钟兴教授，王建国教授和嘉兴大学曹勇勇副教授。该工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、浙江省自然科学基金、浙江省属高校基本科研业务费专项基金的资助。
