AuPd电极材料制备及三维电催化氧化难降解有机物的研究

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传统二维电催化技术的效率受限于其传质速率,三维电极的引入有效的解决了这一难题。三维电极材料是三维电催化技术的关键,对三维电催化技术的效率和稳定性起决定作用。近年来,催化剂负载型非均相三维电极材料的开发成为研究热点,其中Au、Pd等贵金属由于其突出的非均相电催化性能而被用作三维电极材料的催化剂。但其原位产生的H2O2氧化能力有限,而且在催化剂使用过程中贵金属易流失,因而其催化体系的氧化能力和循环稳定性仍待提升。针对以上问题,本文开发出新型高效、稳定的负载型非均相三维电极材料AuPd/Fe3O4和AuPd/Carbon,构建了三维电催化体系,并考察了其对两类典型难降解有毒有机污染物的处理效果、转化规律、作用机理及体系稳定性等。  1)通过共沉积方法合成AuPd/Fe3O4复合材料,采用XRD、SEM、XPS等表征手段,确定Au,Pd以合金形式负载在呈正八面体的Fe3O4基底上。以AuPd/Fe3O4作为粒子电极构建三维电催化体系,考察其对典型离子液体1-丁基-3-甲基咪唑(BMIM)六氟磷酸盐的降解性能,结果表明该体系可实现对BMIM的高效降解,其降解规律遵循阳极芬顿氧化(AFT)模型。该体系中,AuPd催化剂利用电解产生的H2和O2反应生成H2O2,而载体Fe3O4则通过释放Fe2+催化H2O2产生 HO·。BMIM在HO·的作用下主要生成1-butyl-3-methyl-2,4,5-trioxoimidazolidine,1-butyl-3-methylurea及N-butyl-formamide三种中间产物,随后逐步分解成为小分子有机酸或直接矿化。Fe3O4载体不仅调控了体系中的氧化物种,且使粒子电极具备磁分离性能,便于回收和循环利用,使得AuPd/Fe3O4三维电催化体系具有较好的循环稳定性,经过7次循环使用后仍然能保持90%以上的降解性能。  2)为了克服AuPd/Fe3O4复合材料在使用过程中贵金属流失导致的循环稳定性较差的问题,构建了碳纤维负载AuPd合金的AuPd/Carbon三维固定式电极,考察其对典型环境内分泌干扰物双酚A(BPA)的降解特性。研究表明,基于AuPd/Carbon和感应铁电极构建的三维电催化体系能够高效去除BPA。该体系中AuPd催化剂原位产生H2O2,感应铁电极提供Fe2+并催化H2O2生成HO·,实现对BPA的高效去除。BPA在该体系中的降解途径主要为酚羟基邻位羟基化和连接两个苯环的C-C键断裂两种途径,主要产生5-Hydroxybisphenol,4-Isopropylphenol,4-(2-hydroyprpyl)-2-hydroxyphenol三种中间产物,最后被直接矿化或生成小分子有机酸。与AuPd/Fe3O4三维电催化体系相比,AuPd/Carbon三维电催化体系具有更好的循环稳定性,循环使用20次后仍保持100%的降解性能。对AuPd/Carbon进行SEM、XRD及XPS分析表征发现,使用后的AuPd/Carbon基本保持原有的形貌、晶型以及元素组成和价态,有效解决了AuPd/Fe3O4复合材料贵金属流失的问题,可实现AuPd的三维电催化材料的高效重复利用,为三维电催化技术在有机废水处理中的应用提供了依据。
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