近日，我院刘芳教授团队在国际环境领域权威期刊《Journal of Hazardous Materials》发表题为“Risk-controlled resource recovery from hazardous phenol wastewater: Co-production of p-benzoquinone and hydrogen with a noble-metal-free WO₃-Ni(OH)ₓ/NF bifunctional electrode”的研究论文。论文第一作者为我院博士研究生刘雨函，通讯作者为刘芳教授。该工作得到国家自然科学基金、山东省自然科学基金和青岛市自然科学基金的项目支持。
含酚废水广泛产生于石油炼制、煤化工、制药及造纸等行业，具有毒性高、环境持久性强等特点。传统吸附、生化和高级氧化等处理方法多以污染物去除或彻底矿化为目标，不仅能耗较高，而且会损失酚类化合物本身的化学价值。如何在降低污染风险的同时，将废水中的有机碳转化为高附加值化学品，并进一步耦合清洁能源生产，是工业废水低碳资源化的重要研究方向。
针对上述问题，研究团队提出“污染物风险削减—高值化学品回收—清洁能源协同生产”的电催化资源化策略，采用低成本、短流程的“一锅水热—电化学活化”方法构筑自支撑无贵金属WO3-Ni(OH)x/NF双功能电极。该电极以泡沫镍同时作为导电骨架和镍源，经电化学活化后形成WO3耦合的NiOOH活性界面，实现了阳极苯酚选择性氧化与阴极析氢的协同强化。
图1 WO3-Ni(OH)x/NF电极的构筑策略及结构表征（论文Fig. 1）
在最优条件下，WO3-Ni(OH)ₓ/NF电极在1.474 V（vs. RHE）的较低阳极电位下实现96.5%的苯酚转化率、64.7%的对苯醌（p-BQ）产率和67.0%的选择性。将同一材料同时用作阳极和阴极构建成对电解体系时，阴极产氢法拉第效率达到92%。在10 mA cm-2电流密度下，EOP-HER体系仅需1.641 V的电池电压，低于传统OER-HER体系的1.692 V，也低于Pt/C/NF||RuO2体系的1.860 V，体现出以有机物增值氧化替代高能耗析氧反应的节能优势。
机理研究表明，电化学活化促使前驱体中的NiC2O4重构形成NiOOH活性相。自由基淬灭、电子顺磁共振（EPR）和理论计算共同证实，苯氧自由基（C6H5O•）与表面结合羟基物种（•OH*）是碱性条件下苯酚定向生成p-BQ的关键反应物种。其中，NiOOH能够促进苯酚吸附、苯氧自由基形成及后续中间体稳定；WO3则通过调控NiOOH界面电子结构与电荷转移进一步增强苯酚吸附和选择性氧化。
图2 苯酚选择性电氧化反应机理及活性物种验证（论文Fig. 5）
研究进一步从实际应用角度验证了体系的稳定性与适用性。经过8次连续循环，苯酚去除率仍保持在99%以上，p-BQ产率下降小于10%；在常见无机阴离子和有机共存物存在条件下，体系仍保持较好的抗干扰能力。在真实石化含油废水中，液相色谱结果同样观察到苯酚持续消耗和p-BQ生成，表明该资源化路径不仅适用于理想模型水体系，也具备面向复杂工业废水的应用潜力。
在此基础上，研究团队进一步开展生命周期评价（LCA）和技术经济分析（TEA）。与传统电化学矿化处理相比，该资源化体系在18类环境影响指标上的平均环境负荷降低93.1%；在可再生能源供电条件下，其全球变暖潜势可降至5.08 kg CO2e/kg苯酚。经济分析显示，处理1 kg苯酚的系统总投入约25.55美元，通过p-BQ和氢气资源回收可获得约107.62美元收益，对应潜在净收益约82.07美元，为“污染治理—资源回收—能源生产”一体化提供了环境与经济双重支撑。
该研究突破了传统含酚废水“高能耗矿化去除”的处理思路，将危险污染物控制与高值资源回收、低能耗制氢有机结合，为高浓度工业含酚废水由“末端治理”向“资源化利用”转变提供了新的技术路径，也为面向绿色电力驱动的低碳乃至近零碳工业废水处理模式提供了理论基础和技术参考。
图3 EOP-HER体系生命周期评价、技术经济分析及零碳工厂应用构想（论文Fig. 10）
