一维CoOx纳米结构原位负载电催化膜制备及催化氧化性能研究

摘要

开发绿色高效、高选择性的苯甲酸合成体系是精细化学品生产的重点研究方向。针对工业上制备苯甲酸中腐蚀污染严重、产物难分离、操作复杂等问题。本文以管式微孔钛膜为基膜，采用水热热解法原位负载一维CoOx纳米结构，构筑三维CoOx/Ti电催化膜电极。对膜电极的微观形貌、晶形结构及电化学性能进行表征分析，结构表明一维CoOx纳米线原位负载基体钛膜提高了催化剂与膜之间的相互作用力，大大提高了膜电极的活性面积、降低膜与溶液之间的电子传输阻力。
　　以CoOx/Ti电催化膜电极为阳极，不锈钢网为阴极，构建电催化膜反应器(ECMR)。通过调控膜反应器操作参数和反应条件可控高效催化氧化苯甲醇制备苯甲酸。在最优操作条件下，反应温度为21℃，电流密度为2.6mAcm-2，停留时间为14min，pH为13.9时，苯甲醇浓度为10mmol L-1，电解质NaOH浓度为0.125molL-1条件下，苯甲醇的转化率大于99％，苯甲酸的选择性为92％。
　　ESR结果证实，Co基电催化膜电极在低压电场激发下，可以产生高活性的羟基自由基，由此实现钴元素价态由低价态向高价态相互转变及基膜与一维CoOx纳米线相互作用进而实现苯甲醇的氧化，通过电催化氧化反应与膜分离一体化实现可控高效、高选择性制备苯甲酸。
　　此外，对比膜电极形貌效应对电催化性能影响，制备了一维CoOx纳米线、一维CoOx纳米针及零维CoOx纳米颗粒负载基体钛膜，并构建电催化膜反应器用于降解含酚废水。结果表明，在常温常压下，电解质Na2SO4浓度为14.4g L-1，pH值为7.0，苯酚初始浓度为470mg L-1，电流密度为1.0mA cm-2，停留时间为14min。纳米针膜反应器降解苯酚效果最佳，其COD和TOC去除率分别为88.6％及73.8％。

目录

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摘要

第一章 文献综述

1．1 苯甲酸概述

1．1．1 苯甲酸基本性质

1．1．2 苯甲酸主要用途及制备方法

1．2 有机电化学合成技术

1．2．1 有机电化学合成简介

1．2．2 有机电化学合成原理及分类

1．2．3 有机电化学合成特征

1．3 电催化膜反应器技术

1．3．1 电催化氧化技术

1．3．2 膜反应器技术

1．3．3 电催化膜反应器及应用

1．4 四氧化三钴催化剂研究现状

1．4．1 四氧化三钴基本性质

1．4．2 纳米四氧化三钴在催化领域应用

1．5 研究目的与内容

1．5．1 研究目的

1．5．2 研究内容

第二章 实验及表征方法

2．1．1 实验试剂

2．1．2 实验仪器

2．2 测试表征方法

2．2．1 场发射扫描电子显微镜分析(FESEM)

2．2．2 透射电子显微镜分析(TEM)

2．2．4 X射线光电子能谱分析(XPS)

2．2．5 电化学性能测试分析

2．2．6 实验结果检测分析

2．2．7 自由基检测分析

第三章 一维CoOx纳米结构原位负载电催化膜电极制备及性能表征

3．1 本章内容

3．2 实验部分

3．2．1 基体钛膜预处理

3．2．2 一维CoOx纳米结构原位负载膜电极制备

3．2．3 一维CoOx纳米结构原位负载膜电极生长原理

3．3 结果与讨论

3．3．1 CoOx/Ti膜电极SEM表征分析

3．3．2 CoOx/Ti膜电极XRD表征分析

3．3．3 CoOx/Ti膜电极XPS表征分析

3．3．4 CoOx/Ti电催化膜电极电化学性能表征

3．4 本章小结

第四章 纳米线CoOx/Ti电催化膜催化氧化苯甲醇性能研究

4．1 本章内容

4．2 实验部分

4．2．1 实验装置

4．2．2 电催化膜反应器操作参数

4．2．3 实验检测分析

4．3 CoOx/Ti电催化膜反应器催化氧化苯甲醇制备苯甲酸

4．3．1 停留时间

4．3．2 电流密度

4．3．3 料液pH

4．3．4 反应物浓度

4．3．5 反应温度

4．4 电催化膜反应器制备苯甲酸机理研究

4．4．1 ESR测试

4．4．2 CoOx/Ti膜电极催化氧化苯甲醇机理

4．5 本章小结

第五章 零维与一维CoOx/Ti膜电极制备及性能表征

5．1 本章内容

5．2 实验部分

5．3 零维与一维CoOx/Ti膜电极性能表征

5．3．2 CoOx晶形结构表证

5．3．3 CoOx/Ti膜电极电化学性能表征

5．4 膜反应器催化降解苯酚性能研究

5．4．1 本章内容

5．4．2 实验公式

5．4．3 结果与讨论

5．5 本章小结

第六章 结论及下一步研究建议

6．1 结论

6．2 下一步研究建议

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢