电化学水处理技术具有绿色、高效、易操作等优点，能够有效解决某些常规 净水技术不能或不易解决的水处理难题，因而得到了越来越广泛的关注。相比宏 观尺度效果的调控，如何通过微纳尺度下对电极材料的精细设计，实现从微界面 上提升污染物的传质和转化效果，是电化学水处理重要的研究方向。然而常规的 浸没式电极反应器存在极板密度低、传质效果差、能量消耗高等缺点，限制了电 化学反应效率。而穿透式电极反应器通过强制对流，可以在微纳尺度提升传质效 率和强化电子传递，使电子、活性物种等得到有效传递与合理利用，大幅提升电 化学反应效率。本文通过对电极材料微观几何形貌设计和功能结构优化，研制了 可形成特殊微流场的多孔电极材料，设计了高效的穿透式电极反应器。主要内容 及结论如下：

       （1）研制出具有不同层间距和孔结构的石墨烯片层电极材料，考察了电极 材料对重金属离子的电吸附行为，提出了孔结构对电极内部微流场以及界面传质 行为的影响机制。结果表明，层间距大的微孔孔道材料中，具有更高的比表面积 和较低的离子传输阻力，然而其电子传输效率低，且存在大量无法被利用的―死 区域‖；减小的层间距可促进电子转移，提高极水比，使纳孔内部流场分布更均 匀，有效提高了传质效率，但是过小的层间距会导致材料比表面积降低，减少活 性位点，降低了重金属离子的吸附量。通过实验优化，获得了最优的层间距和孔 结构，使导电性、活性面积、极液比等达到最佳值，进而优化了内部微流场分布， 有效提升了电子转移和传质效率。本研究证实，在穿透式电极反应器中，通过对 电极材料微观孔道结构的合理调控可以有效优化微界面反应过程，提高电化学反 应效率。

       （2）研究高性能双金属电催化穿透式电极，提升中间活性物质原子氢的产 率与利用效率。通过电沉积方法制备了双金属 Pd-In 阴极材料，对电极材料和反 应器进行优化，使原子氢湮灭前得到高效和稳定利用，提高了电化学反应速率。 实验制备的 Pd2In3 与仅含单金属 Pd 的阴极材料相比，还原溴酸盐的动力学常数 从 0.009 min-1 提高到了 0.029 min-1。穿透式电极反应器的构型大幅增加了传质效 果，增加了表面吸附原子氢的利用效率，将溴酸盐的还原效率提升了 7.5 倍以上。

      （3）研制了高效复合光催化材料及其穿透式电极反应器，实现光辅助降解 水中污染物并同步产电。通过两步水热法制备了光催化复合材料氯氧铋-磷钨酸 铵（BiOCl-NH4PTA），对多种有机物（罗丹明 b、甲基橙、淀粉、葡萄糖）均 表现出优异的去除效率。将复合催化剂作为光催化阳极并采用空气阴极，基于穿 透式电极反应器构建的废水燃料电池，以罗丹明 b 为底物，该电池在持续高效降 解污染物的同时，产电电流密度可达~267.1 μA/cm2，输出功率可达~16.2 μW/cm2， 实现了废水能源化。

       （4）设计穿透式反应器小试装置，开展了光电协同处理高盐有机废水的应 用研究。实验设计构建了三层套管穿透式电极反应器。在 3 V 的电压和 18~24 min 的停留时间下，目标污染物 4-硝基酚在单次穿透时即可降解 90%以上。从电极 稳定性和污染物高效率的平衡出发，实验在以强脉冲灯（IPL）为光源，2 V 外 加电压、50 mM 氯化钠浓度、18 min 的停留时间为本研究得到的最优参数。试 验证明，在光电条件下，阳极产生的活性氯经光催化产生大量的氯自由基和羟基 自由基，协同氧化去除水中污染物，实现长时间稳定的连续运行。