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Catalytic membrane electrode with Co3O4 nanoarrays for simultaneous recovery of water and generation of hydrogen from wastewater

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作者
Zhaohui Yin,Kun Zhang,Na Ma,Xi Liu,Zhen Yin,Hong Wang,Xue Yang,Ye Wang,Xuetao Qin,Danyang Cheng,Yumei Zheng,Lili Wang,Jianxin Li,Zongwei Xu,Na Tang,Bowen Cheng,Dequan Xiao,Ding Ma
出处
期刊:Science China. Materials [Springer Science+Business Media]
卷期号:66 (2): 651-663 被引量:27
标识
DOI:10.1007/s40843-022-2168-y
摘要

Tremendous research efforts have been devoted to new methods of water decontamination and water splitting at low cost and less energy consumption. Herein, we developed a robust electrochemical strategy with an efficient membrane electrode to remove refractory organic pollutants and simultaneously produce pure hydrogen in wastewater. Firstly, the membrane anode was constructed with a three-dimensional (3D) nanoneedle array of Co3O4 and Ti membrane, exhibiting superior degradation of phenol and dye with Na2SO4 as the electrolyte in a conventional electrocatalytic membrane reactor (ECMR). For the phenol degradation, ≥99% removal efficiency of phenol, 99.5% chemical oxygen demand (COD) removal rate, 92.5% total organic carbon (TOC) removal rate, 88.7% current efficiency and 0.061 kW h (g COD)−1 energy consumption can be obtained. For the dye degradation, ≥99% decolor efficiency and 95.2% COD removal rate, 87.6% TOC removal rate, 82.1% current efficiency and 0.12 kW h (g COD)−1 energy consumption can be achieved. The obtained membrane electrode can provide more active CoOOH sites, dramatically increase the electric fields and overcome mass transfer limitation in a flow-through configuration, thereby significantly enhance the catalytic performance. Finally, we designed a H-type ECMR with the proton exchange membrane (PEM) as the separator for pure H2 production, i.e., PEM-ECMR, demonstrating superior degradation performance of phenol and dye, stable production of high-purity hydrogen (11–15 mL h−1), and excellent long-term stability (100 days) and low voltage input (below 3.0 V). This work demonstrates a promising pathway towards reducing cost and energy consumption for water decontamination and simultaneous hydrogen production.
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