影响电催化的关键因素

（1）阴极材料

碳基材料、金属材料等是常用的阴极材料。在电催化过程中，在阴极发生电催化还原，主要有重金属离子回收（Cr⁶⁺等）、析氢反应等。碳基材料比表面积大，导电性能好，是目前应用最广的阴极材料。贾进对N掺杂Mo₂C纳米片电催化还原产氢进行了研究，研究表明，其过电势可达99 mV。但碳基材料机械损耗大，且关于碳基材料对析氢反应的机理尚待系统研究。针对传统碳基材料存在的不足，Kai Meng等开发了一种非碳基MoS₂-VN/CTAB（CTAB：十六烷基三甲基溴化铵）材料用于电催化产氢，结果表明，其过电势为83 mV，更容易发生反应。

阴极的析氢副反应会降低非产氢的电催化效率，因此需要较低的析氢过电位材料。铂（Pt）电极析氢电位低，高效稳定，但Pt电极昂贵，对杂质敏感，容易被CO等毒化；而钯（Pd）具有良好的储氢活化氢性能，因此基于Pd系的材料是电催化还原的发展方向。

P. Gayen等在TiO₂滤膜上沉积Pd-Cu，并将其用于电催化还原硝酸盐，结果表明，硝酸盐转化率达67%。童雅婷采用制备的Pd-In/Al₂O₃和Pd/Al₂O₃电催化还原溴酸盐，结果表明，在最佳条件下，溴酸盐去除率可达96.37%。

（2）阳极材料

大部分污染物在阳极被氧化分解。阳极材料主要有铂族贵金属、硼掺杂金刚石（BDD）、金属氧化物等。

铂族贵金属耐腐蚀、析氧电位高，但价格昂贵。BDD电极工作电位宽（达3.5 V），吸附能力弱，不会造成污染物在电极表面积累，且其不仅能在电极表面电解水产生·OH，而且能够自旋捕获·OH，加快污染物的氧化降解。

李兆欣等比较了BDD、Ti- RuO₂-IrO₂阳极对垃圾渗滤液中TOC的去除效果，结果表明，降解6 h后，Ti-RuO₂-IrO₂电极因产生·OH能力弱，对TOC的去除率只有20%左右，而BDD电极的TOC去除率达到了85%。Yandi Lan等采用BDD阳极降解药物环丙沙星，通过实验和建模的方法，揭示了氧原子与·OH反应生成强氧化剂的降解机理；对电解液的检测结果表明，药物被完全矿化。但BDD电极造价昂贵，不能大范围地推广使用。

金属氧化物电极最初只由金属氧化物（如SnO₂、TiO₂、PbO₂等）构成，但研究发现这类电极机械损耗大，因此很快被尺寸稳定阳极（dismensionally stable anodes，DSA）替代。DSA是电极基底采用耐腐蚀金属材料（如铂、钛等），表面涂层使用过渡金属氧化物（如RuO₂、IrO₂等）的一种阳极材料，其涂层由1种或2种及以上的金属氧化物组成。当下研究最多的是钛基金属氧化物电极。

常规的Ti/PbO₂中的PbO₂虽有良好的导电性、较高的析氧过电位，但其与基体结合较差，容易从电极中脱落，且存在浸出Pb的二次污染问题。为了解决上述存在的问题，学者们研究了多种改进材料的方法。

Chao Tan等在Ti纳米管上沉积PbO₂，相比于传统的Ti/PbO₂，其氧化能力更强，去除污染物效果更好。郑超则引入了Ni中间层，增加了电沉积速率，且其与在制备PbO₂过程中添加的稀土Nd³⁺会发生协同作用，由此制备的Ti/Ni/PbO₂电极的苯酚降解率达89.78%。

郑辉等在Ti/PbO₂表面掺杂La/Ce，掺杂后的电极表面更加紧致均匀，提高了析氧电位、电流密度，加快了反应速度。徐旭东等的研究表明，Bi+Cu混合掺杂的Ti/PbO₂电极能显著改善电极表面PbO₂晶体性质，产生·OH的能力更强，该电极的COD去除率达到67.73%。

（3）粒子电极材料

寻求适合的阳极材料是二维电极的关键，粒子电极的出现降低了对阳极材料的要求，缩短了传质距离，提高了降解速率和电流效率，有效利用了电解空间，为废水的电催化处理开辟一条新渠道。

粒子电极表面会产生大量的强氧化物质，污染物吸附在粒子表面发生电催化反应。机理如图 1所示，通上直流电源，粒子电极因静电感应而带电，靠近阳极的带负电，靠近阴极的带正电，使每一个粒子构成一个微小电解槽，电催化可在每一个粒子电极表面同时进行。

图 1 三维电极电解机理

粒子电极的材料主要有活性炭、石墨烯基材料等碳材料，负载型金属氧化物等多孔颗粒。活性炭比表面积大，化学稳定性好，含有如羧基、羰基、羟基等官能团。Xiuping Zhu等利用活性炭构建了对硝基苯酚（PNP）降解的三维电极反应器，结果表明，粒子电极提高了阳极系统的间接氧化作用，与二维体系相比，三维体系使PNP和COD的降解率明显提高了2~7倍。但低阻抗的活性炭粒子电极容易产生短路电流，降低电流效率，对此可通过负载组分来抑制短路电流的产生和提高催化活性。

Wenwen Zhang等将Co负载在活性炭粒子上，由此在复合粒子电极表面产生了大量自由基，提高了系统的氧化能力。活性炭廉价易得，吸附性好，仍是当下应用最多的粒子电极材料。

石墨烯及其衍生物比表面积大，电导率高，稳定性好，为二维纳米薄片原子层，是良好的载体。S. Wu等在rGO上负载Fe₃O₄和Pt纳米粒子，使其同时具有Fe₃O₄纳米粒子的磁性和Pt纳米粒子的催化性能，研究表明，制备的材料对亚甲基蓝降解有良好的催化性能，且至少可回收利用16次。其缺点是在石墨烯上很难实现高度分散，因金属粒子并不会稳定地固定在石墨烯表面，相反很容易扩散形成颗粒团簇。

因此，学者将O、N、S等作为锚定位点的杂原子掺杂到石墨烯的碳平面上，形成掺杂石墨烯，提供了稳定和分散的活性位点。Jianwei Sun等将钌和钴双金属纳米合金包覆在氮掺杂的石墨烯层中，研究表明，石墨烯与钌和钴双金属之间的相互作用调节了复合材料的电子性质，从而提高了催化活性。以石墨烯为基体的粒子材料一直是研究热点，学者们正不断深入研究石墨烯载体与负载元素之间的相互作用，以揭示其相互作用与催化性能之间的关系。

负载型金属氧化物粒子电极（Al₂O₃类、Fe₃O₄类）因具有较高的选择性和催化活性而受到广泛关注。刘艳青等对以γ-Al₂O₃@ MIL-101（Fe）为粒子电极的三维电极体系处理废水中的罗丹明B进行了研究，结果表明，在最优条件下，电催化降解罗丹明B的去除率达97%。负载型粒子电极的典型基体就是金属有机骨架，其通过多位配体将金属颗粒连接成无限阵列的混合化合物，获得多孔纳米结构，加快了反应效率。

Lili Li等以金属有机骨架为基础，合成了多孔氧化铜晶体（CuO-BTC，BTC：苯-1，3，5-三羧酸酯）结构的粒子电极，在该粒子电极的电催化下，污染物可在1.3 s内被快速降解，且该粒子电极连续使用5次后，仍有较好的催化活性。负载型粒子电极可增大活性表面积，暴露出更多的纳米活性位点，是一种很有前景的粒子电极材料。