基于NiCo<sub>2</sub>O<sub>4</sub>/NF阳极的电解水制氢同步污水处理可行性研究

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2024-0069

摘要/Abstract

摘要：

制备以泡沫镍（NF）为基底的NiCo₂O₄/NF，并以此作为阳极，通过匹配商业化铂片析氢催化剂构建电化学方法处理污水耦合电解水制氢体系，评估NiCo₂O₄/NF阳极材料的电化学性能，考察体系的污水处理能力及运行情况。结果表明，采用一步水热法合成的NiCo₂O₄/NF具有低过电位及较好的稳定性；对体系施加3 V电压进行污水处理，96 h后COD和氨氮去除率分别达到44.1%和18.0%，并且降解COD和去除氨氮的反应与准一级反应动力学具有较高的相关性，在给定条件下具有相对较低的反应速率常数。NiCo₂O₄/NF阳极及其构建的电解水制氢同步污水处理体系实现了对污水的处理和净化，同时实现了氢气的制备。

关键词: 电解水, 制氢, 电催化, NiCo₂O₄/NF, 市政污水

Abstract:

NiCo₂O₄/NF based on foam nickel(NF) was prepared and used as anode to construct a hydrogen production system coupled with sewage treatment by electrolyzing water through matching commercial platinum plate hydrogen evolution catalyst. The electrochemical performance of NiCo₂O₄/NF anode material was evaluated, and the sewage treatment performance and operation of the system were investigated. The results indicated that NiCo₂O₄/NF synthesized by one-step hydrothermal method had low overpotential and good stability. Applying 3 V to the system and after 96 hours, the removal rates of COD and ammonia-nitrogen reached 44.1% and 18.0%, respectively. The degradation of COD and ammonia-nitrogen showed high correlations with the pseudo-first-order reaction kinetics and had relatively low reaction rate constants under given conditions. The NiCo₂O₄/NF electrocatalyst and its constructed hydrogen production by water electrolysis synchronous sewage treatment system had realized the treatment and purification of sewage, as well as the production of hydrogen.

Key words: water electrolysis, hydrogen production, electrocatalysis, NiCo₂O₄/NF, municipal sewage

中图分类号:

侯炜, 张潇, 赵博玮. 基于NiCo₂O₄/NF阳极的电解水制氢同步污水处理可行性研究[J]. 工业水处理, 2025, 45(2): 71-77.

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https://gyscl.magtechjournal.com/CN/Y2025/V45/I2/71

图/表 10

图1 设计的连续流电化学反应器示意

Fig.1 Schematic diagram of the designed continuous flow electrochemical reactor

图2 反应前后NiCo₂O₄/NF的XRD

Fig.2 XRD patterns of NiCo₂O₄/NF before and after reaction

图3 反应前（a~c）后（d~f）NiCo₂O₄/NF电极的SEM

Fig.3 SEM images of NiCo₂O₄/NF before（a-c） and after（d-f） reaction

图4 NiCo₂O₄/NF的氮气吸附-脱附等温曲线（a）和孔径分布（b）

Fig.4 N₂ adsorption-desorption isotherm（a）and pore size distribution（b）of NiCo₂O₄/NF

图5 NiCo₂O₄/NF电极的XPS

Fig.5 XPS of NiCo₂O₄/NF electrode

图6 反应前NiCo₂O₄/NF、铱钽钛、NF的线性扫描极化曲线（a）和NiCo₂O₄/NF、铱钽钛的塔菲尔图（b）

Fig.6 Linear scan polarization curves（a）of NiCo₂O₄/NF，iridium-tantalum-titanium and NF， and tafel diagrams（b）of NiCo₂O₄/NF and iridium-tantalum-titanium before reaction

图7 反应前后NiCo₂O₄/NF的线性扫描极化曲线（a）和塔菲尔图（b）

Fig.7 Linear scan polarization curves（a）and tafel diagrams（b）of NiCo₂O₄/NF before and after reaction

图8 反应过程中COD（a）、氨氮（b）、硝态氮（c）和亚硝态氮（d）的质量浓度变化 nitrogen（b），nitrate-nitrogen（c），and nitrite-nitrogen（d） during the reaction process

Fig.8 The concentration changes of COD（a），ammonia-

图9 实验机理示意

Fig.9 Experimental mechanism diagram

图10 体系去除COD（a）和氨氮（b）的反应动力学拟合曲线

Fig.10 The fitting curves of reaction kinetics for the removal of COD （a） and ammonia-nitrogen （b） in the system

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