西工大张健Angew.：多功能硝酸-甲醛电池用于废水处理、发电以及氨和甲酸盐生产！|废水|氧化|甲酸|甲醛电池

研究内容

硝酸盐和甲醛作为工农业废水中的大体积污染物，对人类健康和生态系统构成严重威胁。目前的净化技术，包括化学和生物/光/电化学方法，通常是高成本、耗时或能源密集型的。原则上，甲醛在碱性溶液中通过单电子途径氧化的标准电极电势为-0.22 V vs RHE(2HCHO+4OH - → 2HCOO - +H 2 +2H 2 O+2e - )。因此，硝酸盐还原和甲醛氧化之间的理论电位差高达0.91 V，表明甲醛-硝酸盐电池的热力学可行性。

西北工业大学张健报道了一种新型的甲醛-硝酸盐电池，它通过阳极甲醛氧化和阴极硝酸盐还原相结合，同时实现废水净化、发电以及高附加值氨和甲酸盐的生产。结果，甲醛-硝酸盐电池显著地表现出0.75 V的开路电压、3.38 mW cm -2 的峰值功率密度以及氨的32.7 mg h -1 cm -2 和甲酸盐的889.4 mg h -1 cm -2 的产率。在大型甲酰肼电池(25 cm 2 )中，模拟工业废水中99.9%的硝酸盐和99.8%的甲醛被去除，每天产生2.03 W·h的电力。相关工作以“ Multi-Functional Formaldehyde-Nitrate Batteries for Wastewater Refining, Electricity Generation, and Production of Ammonia and Formate ”为题发表在国际著名期刊 Angewandte Chemie International Edition 上。

研究要点

要点1. 作者首次开发了新型的甲醛-硝酸盐电池，其整体放电反应为8HCHO+NO 3 - +7OH - → 8HCOO - +NH 3 +4H 2 +2H 2 O。因此，所探索的甲醛-硝酸盐电池将消耗电力的硝酸盐还原和甲醛氧化转换为发电。

要点2 . 在含有硝酸盐和甲醛的1 M KOH水溶液中，甲醛-硝酸盐电池的开路电位和峰值功率密度分别高达0.75 V和3.38 mW cm -2 。阴极CuRu-9:1催化剂实现了93.6%的氨法拉第效率(FE)，阳极CuAg-3:7催化剂显示出接近100%的甲酸盐FE。即使在含有模拟硝酸盐(20 mM)和甲醛(160 mM)废水的大面积甲醛硝酸盐电池(25cm 2 )中，硝酸盐和甲醛的转化率也分别为99.9%和99.8%。同时，每天产生2.03 W·h的电力。

这种多功能电池的设计普遍适用于NO 3 - 或NO 2 - 还原与各种醛氧化的耦合，为废水净化和化学制造开辟了一条新的途径。

研究图文

图1. CuRu-9:1催化剂的形貌和电还原性能。

图2. CuAg-3:7催化剂的形貌和电氧化性能。

图3. 硝酸甲醛蓄电池的性能。

图4. 大面积甲酰肼电池(25 cm 2 )的性能。

文献详情

Multi-Functional Formaldehyde-Nitrate Batteries for Wastewater Refining, Electricity Generation, and Production of Ammonia and Formate

Siying An, Zhi-Hao Zhao, Jun Bu, Jiaxin He, Wenxiu Ma, Jin Lin, Rui Bai, Li Shang, Jian Zhang*

Angew. Chem. Int. Ed.

DOI: https://doi.org/10.1002/anie.202318989