引言

在当今工业化与城市化快速发展的背景下，水体中含有的难降解有机污染物（如药物残留、个人护理品等）正日益成为全球面临的重大环境问题。传统的水处理技术在应对这些新兴污染物时往往力不从心。电催化膜作为一种高效、绿色的水处理技术，在污染物高效降解方面展现出巨大潜力，然而，其性能提升仍受制于催化材料比表面积低、电荷传输受限、结构稳定性差等关键问题。

清华大学环境学院黄霞教授、北京林业大学梁帅教授与美国麻省理工学院李巨教授等人合作在Science Advances期刊上发表了题为“Electric field–confined synthesis of single atomic TiOxCy electrocatalytic membranes”的最新研究成果，提出了一种基于双电纺-电喷雾（DESP）策略的新型电催化膜制备方法。该技术通过电场限制合成单原子Ti和TiOx​Cy​纳米簇，成功制备出具有超高电化学活性表面积（ECSA）的三维多孔电极，为水净化领域提供了高效、低能耗的解决方案。这项研究不仅解决了传统电极性能不足的难题，还为电纺技术的产业化应用开辟了新方向。

创新亮点

1、双电纺-电喷雾（DESP）策略

▪通过电场限制作用，将钛酸丁酯（TBT）高度分散于聚丙烯腈（PAN）纳米纤维网络中，实现了单原子Ti和亚3纳米TiOxx​Cyy​簇的均匀分布。

▪后续热处理形成TiOx​Cy与碳纳米纤维的强共价键结合，无需粘合剂，显著提升了电极的机械强度和导电性。

2、超高电催化性能

▪电催化膜的ECSA高达1840 cm²/cm²，远超传统电极（如TiO₂负载碳纸的17.5 cm²/cm²）。

▪水通量达8370 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹，能耗低至0.022 kWh·m⁻³·order⁻¹，对毒素的去除率超过99%。

3、多维降解机制

▪结合直接电子转移氧化和间接活性氧（如¹O₂、·OH）氧化，形成多维污染物降解屏障。

▪单原子Ti和TiOx​Cy簇的协同作用显著提升了催化效率，适用于多种污染物（如药物、个人护理品等）。

4、产业化潜力

▪DESP技术易于规模化生产，单次制备可得到30 cm × 10 cm的样品，成本低廉且材料环保。

▪膜材料具有优异的抗侵蚀性和稳定性，连续运行600分钟性能无衰减。 

图文解析

总结与建议

1、技术意义
该研究通过电纺技术实现了单原子催化剂的精准合成，为高性能电催化膜的开发提供了新思路，尤其在高效水净化和能源利用领域具有广阔应用前景。

2、产业化建议

▪设备优化：开发更大规模的DESP设备，提升生产效率。

▪材料扩展：探索其他过渡金属氧化物（如Fe、Co等）的单原子催化剂制备。

▪应用场景：针对工业废水、饮用水处理等需求，定制化设计电催化膜模块。

3、合作展望
欢迎高校、研究机构及企业研发部门共同探讨电纺技术的产业化应用，推动从实验室到市场的技术转化。

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文献信息：Yifan Gao et al. ,Electric field–confined synthesis of single atomic TiOxCy electrocatalytic membranes. Sci. Adv., (2025).

DOI:10.1126/sciadv.ads7154