Synthesis and Stabilization of Blue-Black TiO2 Nanotube Arrays for Electrochemical Oxidant Generation and Wastewater Treatment

电极 阳极 材料科学 电化学 阴极 电解质 兴奋剂 化学工程 钻石 纳米技术 光电子学 化学 复合材料 工程类 物理化学
作者
Yang Yang,Michael R. Hoffmann
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:50 (21): 11888-11894 被引量:243
标识
DOI:10.1021/acs.est.6b03540
摘要

Efficient, inexpensive, and stable electrode materials are key components of commercially viable electrochemical wastewater treatment system. In this study, blue-black TiO2 nanotube array (BNTA) electrodes are prepared by electrochemical self-doping. The 1-D structure, donor state density, and Fermi energy level position are critical for maintaining the semimetallic functionality of the BNTA. The structural strength of the BNTA is enhanced by surface crack minimization, reinforcement of the BNTA-Ti metal interface, and stabilized by a protective overcoating with nanoparticulate TiO2 (Ti/EBNTA). Ti/EBNTA electrodes are employed as both anodes and cathodes with polarity switching at a set frequency. Oxidants are generated at the anode, while the doping levels are regenerated along with byproduct reduction at the cathode. The estimated maximum electrode lifetime is 16 895 h. Ti/EBNTA has comparable hydroxyl radical production activity (6.6 × 10-14 M) with boron-doped diamond (BDD, 7.4 × 10-14 M) electrodes. The chlorine production rate follows a trend with respective to electrode type of Ti/EBNTA > BDD > IrO2. Ti/EBNTA electrodes operated in a bipolar mode have a minimum energy consumption of 62 kWh/kg COD, reduced foam formation due to less gas bubble production, minimum scale formation, and lower chlorate production levels (6 mM vs 18 mM for BDD) during electrolytic wastewater treatment.
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