钯基纳米材料电催化氢化还原脱氯机理及活性优化策略研究

摘要

近年来，水污染状况日趋严重。其中氯酚类污染物以其高毒性、持久性、难降解性、来源广泛性受到人们的重视。包括中国在内多个国家均把氯酚类污染物列为优先控制污染物，国内外环境研究者们也致力于研究氯酚类污染物的处理技术，并取得了一些成果。纵观氯酚类污染物的各种处理技术，电催化氢化脱氯技术因其高效、无二次污染、条件温和等优势脱颖而出，在氯酚类污染物的治理领域中具有很好的应用前景。开发并运用高效的电催化氢化脱氯电极，成为国内外研究者们的研究重点，其中贵金属钯具有高催化活性，成为制备电极材料并应用于电催化氢化还原脱氯的研究热点。本文以2,4-二氯酚作为目标污染物，通过制备的C-Pd纳米颗粒催化剂及C-Pd纳米颗粒/碳纸电极，深入研究了钯基纳米材料的电催化氢化脱氯机理，并以此为基础，制备了Pd/Co/泡沫镍电极应用于电催化氢化脱除2,4-二氯酚的反应中，实验证明其能达到提高电催化氢化脱氯活性的目标。　　利用X射线衍射仪（XRD）、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、循环伏安法（CV）及线性扫描伏安法（LSV）等技术手段对制备的C-Pd纳米颗粒催化剂的微观表面形貌、表面元素形态及含量和氢物种演化过程等进行了表征。证明将钯纳米颗粒沉积在碳黑上成功避免了钯纳米颗粒的聚集，并未使物相发生变化。证实了起始电位-0.80到-0.60 V(vs Ag/AgCl，下同)之间的出现的峰是分子氢（H2）氧化峰，-0.20到-0.10 V之间为原子态吸收氢（H*abs）以及-0.10到-0.00 V之间为原子态吸附氢（H*ads）。确定了电催化氢化脱氯反应中的关键活性氢物种为H*ads。　　通过制备的C-Pd纳米颗粒/碳纸电极，探究了三种H*对电催化氢化脱氯活性的影响。利用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP）分析，得出电极中Pd的负载量为4.56 mg。经电催化氢化脱氯测试及动力学研究表明，脱氯效率最高的电位是-0.85 V，2,4-DCP去除率为91.44%。考察了工作电位在-0.65到-0.95 V范围内，电催化氢化脱氯效率与H*ads的含量随电位的变化，结果表明其趋势相似，证明H*ads是电催化氢化脱氯反应的关键活性物质。而动力学研究表明，C-Pd催化剂的脱氯性能降低，主要归因于H2产多，因此找到需要合适的电位以产生足够多的H*ads并限制H2的负面效应。分析了其反应过程中，中间产物含量变化，得到电催化氢化脱氯除去2,4-DCP的主要反应途径为2,4-DCP→o-CP→P。　　为提高电催化氢化脱氯活性，制备了Pd/Co/泡沫镍电极。利用X射线光电子能谱（XPS）、能量色散X射线光谱仪（EDX）、SEM、XRD等表征手段对制得的电极表面进行物相、形貌分析，观察到电极的比表面积较大、其物相组成与理论相符。由ICP分析得出其Pd的负载量为4.89 mg。优化制备条件和反应条件后，其在-0.9 V电位下2,4-DCP的300 min去除率有95.2%，且在-0.7 V~-1.0 V电催化氢化脱氯效率都在79%以上。我们的工作对EHDC对Pd催化剂的反应机理进行了系统研究，推动EHDC技术在实际环境修复中的应用。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 氯酚类污染物的来源

1.3 氯酚类污染物的危害

1.4氯酚类污染物处理技术

1.5 电催化法脱氯研究现状

1.6 研究的目的和意义

1.7 课题主要研究内容

第2章 实验部分

2.1 实验主要仪器及试剂

2.2 实验方法和装置

2.3分析方法

第3章 以碳负载钯纳米颗粒催化剂为模型对电催化氢化脱氯机理的研究

3.1 C-Pd催化剂的合成及表征

3.2 C-Pd催化剂上H*演化过程研究

3.3 电催化氢化脱氯反应活性氢物种的鉴定

3.4 本章小结

第4章 C-Pd纳米颗粒/碳纸电极电催化氢化脱氯性能的研究

4.1 H*对电催化氢化脱氯活性的影响

4.2 电催化氢化脱氯除去2,4-DCP的反应途径及机理

4.3 C-Pd/碳纸电极的稳定性

4.4 本章小结

第5章 Pd/Co/泡沫镍电极提升电催化氢化脱氯效率的研究

5.1 电极制备条件的优化

5.2 Pd/Co/泡沫镍电极的表征结果

5.4 Pd/Co/泡沫镍电极电催化氢化脱氯性能研究

5.5 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 主要结论

6.2 创新点

6.3 展望

参考文献

致谢

在学期间发表论文及参加课题情况