背景介绍

氯作为基础化工中不可或缺的重要原料，在有机合成、聚合物制造、造纸及废水处理等领域均发挥着核心作用，全球年产量已超过8000万吨。氯碱工业是氯气生产的主要途径，其通过电解NaCl溶液生成氯气的过程耗能极为巨大，每年电能消耗高达150 TWh。如此庞大的能耗不仅提高了生产成本，也带来了显著的碳排放压力，成为制约氯碱工业可持续发展的关键因素。同时，随着工业化与城市化的持续推进，抗生素特别是氟喹诺酮类药物的广泛使用导致其在水体中难以降解，形成严重的环境污染。这些抗生素的持久性使其在水体中累积，不仅危及生态系统安全，还可能诱导耐药性基因扩散，对公共健康造成潜在威胁。传统水处理方法难以有效去除这类污染物，而氯化反应所生成的活性氯物种（如ClO⁻、HClO、Cl₂(aq)）具有强氧化性，可实现对抗生素等有机污染物的高效降解。然而，目前传统的析氯催化体系主要依赖RuO₂或IrO₂等贵金属阳极，虽然具有较高催化活性，但其高成本、稀缺性及易腐蚀失活等问题严重制约了其实际应用。此外，传统电极在实现高效析氯与有机污染物同步降解方面存在研究不足，难以兼顾高效性、稳定性与经济性。因此，开发一种兼具高析氯性能与强氧化降解能力的低成本、多功能催化电极，成为推动氯碱工业绿色化转型与应对抗生素污染的重要科学与工程难题。

成果简介

针对传统贵金属催化体系存在的高成本、腐蚀失活及能耗高等问题，本研究设计并制备了一种基于泡沫钛基底的无贵金属CuCo₂S₄纳米片结构电极（CCS/Ti），通过水热法构建出具有高比表面积与丰富活性位点的多孔结构，实现了析氯反应（CER）与有机污染物降解的协同优化。该电极在100 mA·cm^-2下的析氯过电位仅为1.23 V（vs. Ag/AgCl），法拉第效率高达95.66%，表现出优异的催化活性与稳定性，连续运行180小时后仍保持稳定性能。在污染物降解实验中，CCS/Ti电极在0.5 M NaCl电解质中对氧氟沙星（OFX）的降解率在5分钟内达到91.34%，并对多种氟喹诺酮类抗生素展现出广谱降解能力（去除率均超过83%）。密度泛函理论（DFT）计算结果表明，CCS/Ti的析氯机理主要遵循Volmer–Heyrovsky路径，其优异性能归因于Cu与Co的协同效应以及硫化物结构对电荷传输的促进作用。此外，该体系在电解过程中可产生稳定的活性氯物种，实现了析氯产氯与污染物降解的双功能融合，为氯碱工业的节能降耗和环境治理提供了新的技术路径。

图文导读

图1（a）CCS/Ti的合成示意图。（b）CCS/Ti的扫描电子显微镜（SEM）图像。（c）CCS/Ti的高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图像，插图为其选区电子衍射（SAED）图案。（d）利用能谱分析（EDX）对CCS/Ti电极中S、Cu、Co元素进行分布识别。（e）通过傅里叶变换得到的晶格条纹图像。（f）CCS/Ti、R-CCS/Ti和D-CCS/Ti的X射线衍射（XRD）分析结果。

图2（a）CCS/Ti、R-CCS/Ti和D-CCS/Ti的X射线光电子能谱（XPS）全谱图。（b）Cu 2p的XPS谱图。（c）Co 2p的XPS谱图。（d）S 2p的XPS谱图。

图3（a）5.0 M NaCl溶液（pH = 6）中CCS/Ti电极的析氯反应（CER）线性扫描伏安曲线（LSV）。（b）0.1 M H₂SO₄溶液中析氧反应（OER）的LSV曲线。（c）不同电流密度下CCS/Ti与DSA的过电位对比。（d）CER的Tafel曲线。（e）OER的Tafel曲线。（f）在5.0 M NaCl溶液中的双电层电容（Cdl）。（g）CER的电化学阻抗谱（EIS）图。（h）OER的EIS图。（i）不同电流密度下CCS/Ti与DSA的电流效率。

图4（a）在5.0 M NaCl溶液（pH = 6）中以10 mA·cm^-2电流密度进行的CCS/Ti电极稳定性测试（恒电流法）。（b）稳定性测试后CCS/Ti电极的SEM图像。（c）稳定性测试后CCS/Ti电极中S、Cu、Co元素的EDX分布图。（d）稳定性测试前后CCS/Ti电极的XRD谱图对比。

图5（a）Cl⁻吸附在Cu位点上的CuCo₂S₄（113）表面模型的侧视图。（b）Cl⁻吸附在Co位点上的CuCo₂S₄（113）表面模型的侧视图。（c）CCS/Ti电极的Cl⁻吸附能（ΔECl, eV）。（d）CCS/Ti电极的投影态密度（PDOS）图。

图6（a）在1.36 V（vs. RHE）电位下，CuCo₂S₄（113）表面上按照Volmer–Heyrovsky、Krishtalik和Volmer–Tafel机理的析氯反应（CER）吉布斯自由能图。（b）CuCo₂S₄表面Cl吸附的电荷密度差分图，黄色区域表示电荷积累，蓝色区域表示电荷耗减。（c）CuCo₂S₄（113）表面电催化析氯反应机理示意图，图中同时展示了反应中间体的优化几何结构。

图7（a）在0.5 M NaCl溶液中，不同电流密度下CCS/Ti电极对氧氟沙星（OFX）的降解效率。（b）在10 mA·cm^-2下0.5 M NaCl溶液中的活性氯产量。（c）CCS/Ti电极在5个循环内对OFX的降解效率。（d）CCS/Ti电极在降解氟喹诺酮类抗生素中的应用。条件：电流密度=10 mA·cm^-2，pH=2，[OFX]=10 mg·L^-1，[CIP]=10 mg·L^-1，[ENX]=10 mg·L^-1，[NFX]=10 mg·L^-1，[ENR]=10 mg·L^-1，[MOX]=10 mg·L^-1。（e）在不同电流密度下，0 M NaCl溶液中CCS/Ti电极对OFX的降解效率。（f）不同自由基捕获剂存在下OFX的降解效率。（g）该降解体系的反应机理示意图。

作者简介

通讯作者

瞿广飞，昆明理工大学教授，博士研究生博导，兴滇英才“云岭学者”入选者，冶金及化工行业废气资源化国家地方联合工程研究中心副主任。国家精品课程“固体废物处理与处置”主讲教师，“废物资源化与综合利用”国家级教学团队核心成员。作为主编出版教材及专著5部，国家一流课程“资源环境研究方法学”负责人，“资源环境科学”国家一流专业负责人。昆明理工大学“高毒污染物净化及资源化学科方向团队”负责人。作为指导教师指导各类学科竞赛获3D设计大赛国家一等奖7项，获互联网+国赛银奖1项，铜奖2项，省级金奖9项。本人获国家级教学成果一等奖1项、二等奖2项，获云南省教学成果特等奖2项，一等奖2项；承担国家重点研发计划课题、国家科技重大专项水专项子课题、国家自然科学基金项目等各类科研项目40余项，以第一作者或通讯作者在国内外公开发表学术论文180余篇，其中SCI收录121篇，ESI高被引1篇。获中国授权发明专利200余项，申请国际PCT专利10项，8项专利实施许可，6项专利作价1020万元入股坤育环境发展（云南）有限公司。主持制订云南省地方标准5项，参与制定并发布41项企业标准。2017年被《科学中国人》评为杰出青年科学家，2021年获中国产学研合作促进会产学院合作创新奖。先后获Eco-world国际生态奖一等奖1项、省部级科技一等奖2项、省部级科技二等奖4项。

许瑞，昆明理工大学环境科学与工程学院硕士研究生导师。2023年5月，获得中南大学矿业工程博士学位。在国内外主流期刊以一作和通讯发表论文20余篇，其中SCI收录10余篇（TOP期刊6篇）；申请国家发明专利6项，PCT专利1项。主持国家自然科学基金、云南省基础研究专项-面上项目等项目4项。获中国有色金属工业科学技术二等奖1项。指导学生获“互联网+” 国银1项、全国3D大赛国赛二等奖1项、其他各类学科竞赛奖获省奖8项。

任南琪，中国工程院院士，现任哈尔滨工业大学副校长，城市水资源与水环境国家重点实验室主任，院士，教授，博士生导师。任南琪教授是哈尔滨工业大学环境工程学科的学术带头人，也是国家“国家高层次人才”特聘教授，国家杰出青年科学基金获得者，“城市水质转化规律与保障技术”国家创新研究群体带头人。

第一作者

王要泽，昆明理工大学环境科学与工程学院2023级硕士研究生，主要研究方向为电催化析氯电极的构筑、性能调控及应用基础研究。以第一作者公开发表SCI论文3篇；申请国家发明专利2项；2025年获国家奖学金；获3D大赛省级一、二等奖若干次。

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文章信息

Wang Y, Li L, Qu G, et al. Construction of efficient and durable noble-metal-free CuCo₂S₄ nanoarray anodes for chlorine evolution and antibiotic degradation. Nano Research, 2025, 18(11): 94908037. https://doi.org/10.26599/NR.2025.94908037.

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