非贵金属材料电化学还原水中硝酸根的研究

摘要

地下水和饮用水中的硝酸根浓度随人类与氮有关的生产活动的增多而逐渐上升，高浓度硝酸根通过饮用水进入人体极易转化为亚硝酸根，进而引起高铁血红蛋白症及疑似致癌作用。本论文采用电化学法研究原水中硝酸根的去除，采用廉价易得的金属材料Al、Fe、Cu、AlFe合金等作为工作电极，目的是将溶液中的硝酸根快速去除并研究其还原机理，得到合适的电极材料。 在中性Na2SO4电解质溶液中，采用线性扫描法(LSV)研究了单金属Al、Fe、 Cu作为电化学阴极对硝酸根的还原电位，重点分析了Cu电极对硝酸根和亚硝酸根的还原机理，根据电极还原峰电流与扫描速率的平方根成线性关系，进一步计算出相应电位下的转移电子数，发现-0.8V vs.SCE附近电位下出现的还原峰对应硝酸根到亚硝酸根的还原反应，在-1.3V vs.SCE电位下则发生亚硝酸根到铵根的转化过程，与文献在碱性电解质中得到的结果一致。当Cu电极在相对正的电位下对硝酸根的去除不明显，限制该电极的应用，鉴于Cu对硝酸根的还原产物亚硝酸根和铵根有较好的选择性，因此Cu可作为电极改性剂。 制备得到AlFe合金电极材料作为工作电极，其对硝酸根的去除性能优于单质Al和Fe，在-1.2V vs.SCE电位下对70±2mg·L-1的NO3--N进行2h电解，可达到97％的去除率，在-1.05V vs.SCE的电位下能够使溶液中的N减少23mg·L-1，这部分N有较大可能为N2生成从溶液中逸出，两种情况下还原产物主要为氨氮。在此基础上，通过电镀法在AlFe10合金上镀Cu，得到类似核壳结构的三元金属改性材料Cu/AlFe10，以期AlFe10内核对Cu在低电位下的反应有催化效果，而Cu表面则可保护AlFe10电极避免腐蚀。 对Cu/AlFe10材料进行LSV测试发现与AlFe10电极的结果不同，曲线上出现了硝酸根还原峰，表明电极具有部分Cu的性质。不同电位下的电解结果表明，Cu/AlFe10电极上对亚硝酸根和铵根的产生比Cu和AlFe10电极更易控制，材料同时具备二者的优点。SEM和XRD结果表明Cu/AlFe10电极的腐蚀与AlFe电极相比可忽略，Tafel曲线和交流阻抗谱结果表明，Cu/AlFe10的耐腐蚀性仅次于Cu电极，且对高浓度硝酸根也能快速的去除。Cu和AlFe10的协同作用使得Cu/AlFe10电极的活性和稳定均较好。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 硝酸根污染及去除方法

1．1．1 氮循环

1．1．2 氮平衡的破坏

1．1．3 硝酸根的危害

1．1．4 自然界中硝酸根还原机理

1．1．5 硝酸根去除方法

1．2 电化学去除硝酸根研究现状

1．2．1 单室电解槽

1．2．2 两室电解槽

1．2．3 成对电解

1．3 课题研究目的、意义及思路

1．4 课题创新之处

第二章 非贵金属电极还原硝酸根的机理研究

2．1 引言

2．2 实验条件与内容

2．2．1 实验仪器和材料

2．2．2 镀Cu电极的制备

2．2．3 电极预处理

2．2．4 电化学测试步骤

2．3 CV测试结果与分析

2．3．1 马口铁电极

2．3．2 Cu电极

2．3．3 AlFe20合金

2．3．4 AlFe10合金

2．3．5 不锈钢

2．4 LSV测试结果与分析

2．4．1 测试条件的确定

2．4．2 单金属电极还原NO3-／NO2-的LSV测试及其还原机理分析

2．4．3 Cu／AlFe10合金电极还原NO3-的LSV测试

2．5 小结

第三章 非贵金属电极电解硝酸盐溶液

3．1 引言

3．2 实验条件与内容

3．2．1 实验仪器与材料

3．2．2 实验装置及参数

3．2．3 实验内容

3．2．4 计算公式

3．3 AlFe合金电极电解条件探索

3．3．1 AlFe合金上电解电位的选择

3．3．2 AlFe20合金电极在不同装置中还原硝酸根的结果与分析

3．3．3 初始硝酸根浓度对硝酸根还原的影响

3．3．4 不同初始溶液pH值的影响

3．4 五种阴极材料的对比结果与分析

3．5 Cu／AlFe电解实验

3．5．1 不同Cu负载量的影响

3．5．2 初始硝酸根浓度的影响

3．5．3 不同支持电解质的影响

3．6 脉冲电位法还原硝酸根

3．7 小结

第四章 电极材料的稳定性研究

4．1 引言

4．2 实验条件与内容

4．2．1 X射线晶体衍射表征

4．2．2 扫描电子显微镜表征

4．2．3 Tafel曲线测试

4．2．4 交流阻抗谱测试

4．2．5 Cu／AlFe10电极电解实验

4．3 电极表征结果与分析

4．3．1 X射线衍射(XRD)表征结果

4．3．2 扫描电镜(SEM)表征结果

4．4 电化学测试电极稳定性结果与分析

4．4．1 Tafel曲线测试结果

4．4．2 交流阻抗谱测试结果

4．4．3 Cu／AlFe10电极电化学稳定性结果

4．5 小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 不足与展望

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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