基于木质素的电芬顿阴极材料制备及性能研究

发布时间：2020-04-18 16:29

【摘要】：电芬顿技术是一种原位产生H_2O_2与Fe~(2+)催化剂反应产生强氧化性羟基自由基,以有效去除有机污染物的高级氧化技术。阴极材料的特性是影响电芬顿过程中H_2O_2产量和速率的重要因素。碳基材料因其比表面积大、成本低等特性而被广泛用作阴极,但其动力学性能相对较低。而一些阴极材料如硼掺杂金刚石电极和汞电极虽然能够提供良好的动力学性能,却成本昂贵且环境不友好。因此,合成一种可再生、低成本和高效率的阴极材料以促进氧还原产生H_2O_2用于电芬顿体系处理废水显得尤为必要。本文通过简单的一步电沉积法,以聚吡咯(PPy)为框架与可再生生物聚合物木质素(lig)掺杂制备复合材料,所形成的PPy/lig聚合膜能够均匀地包裹于石墨毡(GF)基体电极的表面,表面积增大。另外,木质素作为大分子掺杂能够增加材料的机械稳定性并且材料表面富含C=O官能团(包括醌基基团)。这些特性提高PPy/lig-GF阴极氧还原产生H_2O_2的电催化活性,当施加阴极电位(-0.5 V vs.SCE)时,与未修饰GF和PPy/ClO_4~--GF阴极相比,PPy/lig-GF具有更高的电催化产生H_2O_2产量和电流效率。将所制备的阴极材料(修饰或未修饰)应用于电芬顿体系降解AO7,其脱色和矿化效率符合一级动力学模拟并且PPy/lig-GF阴极具有更高的速率常数和降解效率。此外,木质素掺杂能够显著改善阴极材料的循环稳定性。着眼于木质素化学结构本身,本文还探讨不同木质素单体对电芬顿催化性能的影响。不同木质素单体比未修饰GF表现出良好的氧还原产生H_2O_2能力。由于木质素单体的酚类物质含量不同,使得电化学氧化制备电极过程中所形成的醌基基团含量也有所差异。聚吡咯/丁香酸(PPy/SA-GF)和聚吡咯/阿魏酸修饰石墨毡阴极(PPy/SA-GF)在电压为-0.5 V时,H_2O_2产量最高,分别为267.75和197 mg L~(-1);而聚吡咯/4-香豆酸阴极(PPy/p-CA-GF)则在电压为-0.8 V时对应最大H_2O_2浓度,为147.44 mg L~(-1)。另外,PPy/SA-GF对应的H_2O_2单位面积的速率常数和电流效率最高且能耗最低。物理化学表征结果表明其良好的氧还原能力归因于大的比表面积、良好的导电性、富含活性位点(醌基基团和C=O)和缺陷度的增加。
【图文】：

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图 1-1 O2在阴极发生还原反应的机理图Fig. 1.1 The reaction mechanism of oxygen reduction on the cathode.机理可以得出，O2在阴极上还原生成 H2O2主要有两个过程：解液中的溶解氧逐渐向阴极电极表面扩散并吸附；附在阴极表面的 O2通过双电子还原反应产生 H2O2。2的生成及其稳定性起决定性的因素有反应器的规格、阴极材料[34]。在阴极材料的表面发生电化学还原反应（反应（1-12））或自身发生分解，这些副反应都将导致 H2O2的减少和电流效率的H2O2+2e-→2OH-（1-12）2H2O2→O2（g）+2H2O （1-13）阴阳两极室的体系中，H2O2在阳极则会被氧化为 O2，并且反应O2 ，具体反应如下[36]：

示意图,芬顿,反应装置,示意图

预处理方法为：将钛丝裁剪成 15 cm 的长度，使用前，用无水乙 min，并用去离子水充分冲洗，，在室温下晾干。反应装置体系主要是由电极、反应器、曝气装置以及数据采集装置四个。反应器由有机玻璃而制成，其容积为 250 mL。以修饰/未修饰作电极、铂网电极（1 cm×1 cm）为对电极以及饱和甘汞电极为三相电芬顿体系。其中，工作电极和对电极距离设定为 3 cm。与电化学工作站相连，施加一定的电压，记录电流-时间曲线以效率和能耗。此外，整个电芬顿反应体系需要额外得鼓入高纯的供给，因此，在工作电极和对电极连线中点处设置曝气孔（孔径由透明胶管通入，并且通过气体流量计对高纯氧气的流速进行孔径为 6 mm）则设置在与参比电极相对的另一侧。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X505

【参考文献】