基于MIL-101前体的铁碳气凝胶氧还原性能研究

摘要

电芬顿技术作为一种电化学高级氧化技术，可以产生具有强氧化性的·OH（E°=2.8V），能降解多种污染物。具有H2O2原位生成、Fe2+阴极再生等优点。电芬顿阴极催化剂的性能直接决定了H2O2与·OH的原位生成及Fe2+的还原再生速率，从而直接影响电芬顿处理污水的效能，因此探索综合性能良好的阴极催化剂材料成为该领域的一大热点。多孔碳是近年来受到广泛关注与研究的的电芬顿阴极材料。而MOF材料能够作为多孔碳制备的前驱体，形成孔结构丰富、比表面积大的MOF基多孔碳材料，具有丰富的活性位点、利于物质扩散及电子转移，且对O2的吸附能力强，便于原位还原O2产H2O2。本文制备以MIL-101(Fe)为前驱体的铁碳材料，对碳化前后材料进行表征，利用电化学测试手段探究制得的铁碳材料对氧还原反应的催化能力及电子转移机理，并将其分别负载在碳纸和碳气凝胶上，用以降解模拟罗丹明B（RhB）废水和模拟氨氮废水，并优化反应条件，探究反应机理。 （1）采用水热法制备MIL-101(Fe)并高温碳化得到铁碳材料，扫描电镜和透射电镜图显示碳化前后材料均具有多孔结构，且铁颗粒的尺寸为纳米级别，镶嵌在碳材料中。最佳条件下制得的铁碳材料BET比表面积为515.1m2·g-1，孔径主要分布在0-5.0nm。XRD与XPS的结果表明材料中同时存在FeO，Fe3O4和Fe0，其中Fe0是主要物质。 （2）将铁碳材料进行电化学性能测试，结果表明材料能催化氧气的两电子还原反应。电解质溶液pH值对反应过程有较大影响，接近中性时反应效果最佳。碳气凝胶对铁碳材料催化氧还原反应有辅助作用。RDE结果表明反应过程主要是两电子还原。RRDE曲线说明其催化氧还原反应能够产生H2O2。 （3）采用以N-MIL-FeC/C电极为阴极的电芬顿体系降解RhB，在最佳反应条件下（催化剂负载量为1.5mg·cm-2，pH值为中性），50min内RhB（10mg·L-1）降解率达到99.0%以上。且在反应体系中加入·OH抑制剂乙醇后降解速率大大降低，说明·OH是RhB降解的主要活性物质。 （4）测定N-MIL-FeC/CA电极产H2O2的能力，最佳条件下4h H2O2的积累量可达8.9mmol·L-1。在电芬顿体系降解模拟氨氮溶液实验中，最佳条件下（N-MIL-FeC负载量为1.5mg·cm-2，电流为75mA，初始溶液pH值为7，曝气量为0.7L·min-1，室温25℃），初始浓度为40mg·L-1的氨氮2h降解率为96.8%。自由基淬灭实验和EPR测试都检测到·OH的存在，证明·OH是降解过程中起主要作用的活性物质。

目录

声明

1 绪论

1.1 电芬顿技术

1.1.1 电芬顿技术的原理

1.1.2 电芬顿技术的分类

1.1.3 电芬顿阴极材料的应用与研究

1.1.4 电芬顿技术在污染物处理中的应用研究

1.2 电催化氧还原反应

1.2.1 氧还原反应

1.2.2 氧还原反应催化剂

1.3 金属有机骨架材料

1.3.1 MOFs材料简介

1.3.2 MOFs材料特点

1.3.3 MOFs材料种类

1.3.4 MOFs材料应用

1.3.5 MOFs材料合成方法

1.4 选题依据、研究内容及技术路线

1.4.2 研究内容及技术路线

2 阴极材料的的制备及表征

2.1 引言

2.2 实验药品及仪器

2.2.1 实验药品

2.2.2 实验仪器

2.3 阴极材料的制备

2.3.1 MIL-101(Fe)及多孔铁碳材料的制备

2.3.2 气凝胶与碳气凝胶的制备

2.4 阴极材料的表征

2.4.1 扫描电镜及能谱分析

2.4.2 X射线衍射

2.4.3 N2吸附-脱附曲线

2.4.4 透射电镜

2.4.5 X射线光子能谱

2.5 本章小结

3 电化学性能测试及模拟RhB废水降解的研究

3.1 引言

3.2 实验药品及仪器

3.2.1 实验药品

3.2.2 实验仪器

3.2.3 实验方法

3.3 结果与讨论

3.3.1 CV测试

3.3.2 RDE测试

3.3.3 RRDE测试

3.3.4 电芬顿反应降解RhB

3.4 本章小结

4 N-MIL-Fe/CA电极产H2O2和降解模拟氨氮废水

4.1 引言

4.2 实验部分

4.2.1 实验药品

4.2.2 实验仪器

4.2.3 实验方法

4.3 结果与讨论

4.3.1 阴极产H2O2量的测定

4.3.2 电芬顿反应降解模拟氨氮废水的研究

4.3.3 降解机理探究

4.4 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

大连理工大学学位论文版权使用授权书