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Scalable Ir-Doped NiFe₂O₄/TiO₂ Heterojunction Anode for Decentralized Saline Wastewater Treatment and H₂ Production

NANO-MICRO LETTERS 2025年第1期17卷 1-18页

作者： Hong, Sukhwa Kim, Jiseon Park, Jaebeom im, sunmi Hoffmann, Michael R. Cho, Kangwoo Pohang Univ Sci & Technol POSTECH Div Environm Sci & Engn Pohang 790784 South Korea CALTECH Linde Labs Pasadena CA 91125 USA Yonsei Univ Int Campus Inst Convergence Res & Educ Adv Technol I CREATE Incheon 21983 South Korea

Wastewater electrolysis cells (WECs) for decentralized wastewater treatment/reuse coupled with H-2 production can reduce the carbon footprint associated with transportation of water, waste, and energy carrier. This study reports Ir-doped NiFe2O4 (NFI, similar to 5 at% Ir) spinel layer with TiO2 overlayer (NFI/TiO2), as a scalable heterojunction anode for direct electrolysis of wastewater with circumneutral pH in a single-compartment cell. In dilute (0.1 M) NaCl solutions, the NFI/TiO2 marks superior activity and selectivity for chlorine evolution reaction, outperforming the benchmark IrO2. Robust operation in near-neutral pH was confirmed. Electroanalyses including operando X-ray absorption spectroscopy unveiled crucial roles of TiO2 which serves both as the primary site for Cl- chemisorption and a protective layer for NFI as an ohmic contact. Galvanostatic electrolysis of NH4+-laden synthetic wastewater demonstrated that NFI/TiO2 not only achieves quasi-stoichiometric NH4+-to-N-2 conversion, but also enhances H-2 generation efficiency with minimal competing reactions such as reduction of dissolved oxygen and reactive chlorine. The scaled-up WEC with NFI/TiO2 was demonstrated for electrolysis of toilet wastewater.

关键词： Wastewater electrolysis cell Ir-doped NiFe2O4 Reactive chlorine species Decentralized H-2 production On-site wastewater treatment

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