具有微结构表面碳电极对水中氯代酚的电催化还原脱氯

摘要

近年来，电还原法处理氯代有机物，因脱氯效率高、操作简便、环境友好等优点，引起了研究者的广泛重视。本论文选用不同微结构表面的碳材料(活性炭纤维、石墨、多壁碳纳米管)作为电极负载Pd催化剂，用于电催化还原脱氯处理水中典型的难降解多氯代有机污染物(五氯苯酚为例)。主要开展了以下几个方面的工作： 利用电化学法，制备了负载Pd催化剂的活性炭纤维(ACF)电极，并将其用于五氯苯酚(PCP)的吸附和电催化还原降解过程。扫描电镜(SEM)分析表明，Pd催化剂在活性炭纤维上分散均匀。通过吸附实验，得出Pd/ACF电极对水溶液中的PCP具有高的吸附速率和吸附容量。在恒电流模式下，Pd/ACF电极对被吸附的PCP具有很好的去除效率和电流效率，但Pd/ACF电极稳定性较差。通过GC/MS降解产物分析表明，PCP降解途径是逐步脱氯，最终完全脱氯降解为苯酚。 采用化学气相沉积法(CVD)和电化学法，在石墨基体上制备了负载Pd催化剂的多壁碳纳米管(MWCNTs)膜电极；SEM、透射电镜(TEM)、X-射线衍射(XRD)和BET比表面积分析表明，碳纳米管的管外径为40～60nm左右，比表面积为54m2/g；Pd催化剂在MWCNTs上分布均匀，平均粒径约为13nm左右。以PCP为目标物研究了Pd/MWCNTs/石墨电极的电催化还原性能。结果表明，在恒电压模式下，Pd/MWCNTs/石墨电极对低浓度PCP有很好的去除效果和电流效率，且电极稳定性较好。 动力学研究表明，PCP在Pd/MWCNTs/石墨电极上的反应过程符合准一级反应动力学。系统地考察了温度、阴极电解质浓度、催化剂含量、阳极电解质浓度、偏压对电催化还原PCP反应动力学过程的影响，并建立了相应的动力学模型。此模型对电催化还原PCP反应具有很好的预测功能。 线性伏安法和GC/MS分析表明，PCP在Pd/MWCNTs/石墨电极上的降解机理为龟催化加氢过程。降解途径是PCP逐步加氢脱氯为苯酚；苯酚进一步加氢降解为环己酮。 研究并比较了负载Pd的不同微结构表面碳电极(Pd/石墨、Pd/ACF和Pd/MWCNTs/石墨)对PCP的处理效果，得出在Pd/石墨、Pd/ACF和Pd/MWCNTs/石墨电极上，PCP的电催化还原反应速率常数分别为0.0092min-1、0.0141min-1和0.0153min-1。降解产物分析表明，Pd/MWCNTs/石墨电极对PCP脱氯效果和催化加氢产生环己酮的活性优于Pd/ACF和Pd/石墨电极。此外，Pd/石墨和Pd/MWCNTs/石墨电极具有较好的稳定性，而Pd/ACF电极稳定性较差。 比较了在Pd/石墨、Pd/MWCNTs/石墨和Pd/ACF电极上不同氯苯酚的处理效果，结果表明随着氯原子取代基数目的增加，反应速率变慢。不同氯苯酚反应速率常数由高到低顺序为：4-氯苯酚＞2，4-二氯苯酚＞PCP。 总之，本论文以不同微结构表面碳材料作为电极，揭示了电催化还原法处理难降解多氯代有机物的特点和机理。这为电催化还原法处理水溶液中多氯代有机物的实际应用提供了理论基础和实验依据。

目录

文摘

英文文摘

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1国内外相关领域研究进展

2钯/活性炭纤维电极的制备与吸附/电催化还原处理五氯苯酚的研究

3钯/多壁碳纳米管/石墨电极制备与电催化还原处理五氯苯酚的研究

3.1实验部分

3.2结果与讨论

3.3小结

4钯/多壁碳纳米管/石墨电极上电催化还原处理五氯苯酚的机理和动力学研究

5不同载钯碳电极上电催化还原处理氯代苯酚的对比研究

6结论、创新点与建议

参考文献

攻读博士学位期间的研究成果

致谢