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不锈钢基不溶性催化电极的制备及其对难降解有机废水的电催化降解作用

宋曰海

   电极材料是电化学的基础,现代电化学技术和电化学工业发展的技术先导。钛基形稳阳极的开发促进和实现了氯碱工业的革命,使高性能电极材料的研究成为电化学的前沿课题。本工作针对钛基形稳阳极对其它应用领域催化活性不够高,制备成本尚嫌昂贵等问题,进行钛基形稳阳极的改性研究,不锈钢基不溶性催化阳极研究,具有催化活性的阴极材料的研究,进而研究了所制备的电极材料对难降解有机废水的催化活性及其催化作用机理。 采用高温热分解方法制备了Ti/IrO_2-RuO_2-CeO_2阳极,试验结果表明,电极制备的优化条件为:涂装次数10~12次,烘干温度80℃,热氧化气氛为氧气,温度450℃,时间10min。经扫描电镜表征,所制得的电极催化层为多孔的蜂窝状结构,无龟裂。在0.5 mol/L H_2SO_4溶液中,电极的析氧电位为1.3V。电极的催化活性优于形稳阳极,制备工艺的复杂性和制备成本与形稳阳极相当。 针对钛基形稳阳极对处理难降解废水催化活性不够高,制备成本尚嫌昂贵等问题,提出不锈钢基不溶性催化电极的构想和设计方法,制备了不锈钢基CeO_2-PbO_2阳极。试验结果表明,由于易发生表面氧化等问题,采用制备钛基不溶性阳极常用的热分解法无法在不锈钢基体上制备催化层,本研究采用电沉积法解决了这一难题,得出了电极制备的优化条件:电流密度5~15mA/cm~2,温度60℃。电极催化层结构呈多孔状,粒子结构呈四面体型。试验发现,掺杂CeO_2可明显起到细化晶粒的作用。在0.5 mol/L H_2SO_4溶液中,电极的析氧电位为2.1V。在3 mol/L H_2SO_4溶液,电流密度1A/cm~2,温度35℃条件下,电极的使用寿命为1100 h。该阳极对染料废水有良好的催化活性,并具有析氧电位高、使用寿命长、制备成本低等优点,尚存在着阳极脆性较大等不足。 采用复合电沉积法制备了不锈钢基CNT(碳纳米管)-PbO_2阳极。电极制备的优化条件为:电流密度5~15 mA/cm~2,温度60℃。电极催化层粒子结构呈四面体型,碳纳米管晶粒的加入改变了电极催化层微观形貌,生成大量圆柱状小孔,使得电极的比表面积增加。在0.5mol/L H_2SO_4溶液中,电极的析氧电位为1.8 V。该阳极具有良好的催化活性,较高的析氧电位,制备工艺简单等优点。 采用脉冲电沉积法,制备了以不锈钢为基体,以非晶态Ni-W-P为载体,掺杂SiC和稀土元素的阴极材料。当电流密度10 A/dm~2、pH值4.5,温度65℃,占空比1:3~5时,频率在300~800 Hz范围内,可得到晶粒细小、周边平滑致密、硬度较高的镀层,800 Hz时效果最好。电极镀层结构致密而多孔,具有高的比表面积,因而与氧气接触面积大,对氧气生成H_2O_2具有良好的催化作用。 以不锈钢基CeO_2-PbO_2为阳极,不锈钢片为阴极,设计了电催化反应器。反应器结构采用模块化设计思想,每个单元反应室内的电极和曝气设备可以单独进行安装和调换。电极最佳结构和工作参数为:电极间距8 mm,粒子电极粒径4 mm,粒子填充量60%,槽电压15V。在该参数下,电催化反应器对抗生素难降解废水具有良好的处理效果。 采用动电位极化法和伏安曲线法等电化学方法,研究了所制备的不溶性电极对有机物的电催化降解机理及其动力学过程,发现在电催化过程中存在着一个特征电位,该特征电位与羟基自由基的产生密切相关,特征电位出现的位置与有机物浓度无关,电流峰值大小随有机物浓度的升高而增大。随有机物溶液温度的上升,电极上出现的特征电位负移,温度与特征电位呈某种直线关系,符合一级反应方程。在电催化过程中,有机物的降解过程符合一级反应规律。……   
[关键词]:电催化;不溶性电极;电催化反应器;特征电位
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:北京化工大学2007年