基于中间层改性的DSA电极的绿色制备及失活机理研究

作     者：王婧茹 

作者单位：青岛理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：罗思义

授予年度：2021年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 

主      题：钛基底预处理 DSA电极 还原态TiO2中间层 失活机制 还原态二氧化钛纳米管 

摘      要：电化学高级氧化技术(EAOPs)具有环境友好、处理性能高和操作简单等优点,是一种高效的污染物处理技术。其中,阳极是EAOPs的核心部件,相较于其它电极,形稳电极(DSA)具有高稳定性的活性涂层、电化学催化性能好和低成本等优点,已成为电化学水处理领域最佳选择之一。但DSA阳极也面临一系列挑战,如Ti基底预处理过程中化学试剂的大量使用和电极使用寿命有待提高等。因此,研发一种环境友好的钛基底预处理方法,同时提高电极稳定性对DSA电极的实际工业应用具有重大意义。鉴于此,我们研发了一种绿色且简单可行的方法,在H和N(摩尔比1:5)的气氛中预处理Ti基底,此过程不消耗化学试剂且无废水排放。研究发现,在750℃的温度下产生的还原态Ti O中间层中同时存在V和Ti,使Ti/Ti O/Ru O-Ir O-Sn O-SbO阳极具有更好的稳定性和更高的电催化活性。Ru O-Ir O-Sn O-SbO催化剂层的最佳负载量为2.6±0.05 mg cm,此时Ti/Ti O/Ru O-Ir O-Sn O-SbO电极的加速寿命为65 h,而传统Ti/Ru O-Ir O-Sn O-SbO电极的加速寿命仅为50 h。与Ti/Ru O-Ir O-Sn O-SbO电极相比,Ti/Ti O/Ru O-Ir O-Sn O-SbO电极具有较高的析氧电位(1.42 V/SCE)和较低的析氯电位(1.12 V/SCE),这表明其电催化活性较高。加速电解实验表明,导致电极失活的主要原因是Ru O、Ir O、Sn O和SbO催化剂在电解液中逐渐溶解和剥落,最终导致氧化态Ti O绝缘层的形成。实验以布洛芬作为模拟污染物,评价不同电极的催化性能。结果表明,当溶液初始p H为7.0,电流密度为20m A cm时,Ti/Ru O-Ir O-Sn O-SbO电极和Ti/Ti O/Ru O-Ir O-Sn O-SbO电极对布洛芬的去除效率在120 min分别达到84%和96%。采用阳极氧化法在Ti基底上原位生长高度有序的TiO纳米管阵列(Ti O-NTs)。本文在H和N(摩尔比1:5)的还原气氛中,在450℃下对Ti O-NTs进行热处理,发现还原改性后的Ti O-RNTs具有很大的比表面积,为催化剂提供了更多的锚定位点。采用溶胶-凝胶法将Ru O-Ir O-Sn O-SbO分别嵌入到Ti O-NTs和Ti O-RNTs中形成Ti/Ti O-NTs/Ru O-Ir O-Sn O-SbO电极和Ti/Ti O-RNTs/Ru O-Ir O-Sn O-SbO电极,并从表面形态、晶体结构、电化学性能、稳定性和有机污染物降解性能等方面进行比较。Ti/Ti O-RNTs/Ru O-Ir O-Sn O-SbO电极具有致密和光滑的表面。此外,在相同的试验条件下,Ti/Ti O-RNTs/Ru O-Ir O-Sn O-SbO电极表现出更好的稳定性,Ti/Ti O-RNTs/Ru O-Ir O-Sn O-SbO电极的加速寿命高达77.8 h,而Ti/Ti O-NTs/Ru O-Ir O-Sn O-SbO电极的加速寿命仅为68 h。与Ti/Ti O-NTs/Ru O-Ir O-Sn O-SbO电极相比,Ti/Ti O-RNTs/Ru O-Ir O-Sn O-SbO电极具有较高的析氧电位(1.75 V/SCE)和较低的电荷转移电阻(0.54Ω),这表明其电催化活性较高。实验以卡马西平作为模拟污染物,评价不同电极的催化性能。结果表明,当溶液初始p H为7.0,电流密度为20 m A cm时,Ti/Ti O-NTs/Ru O-Ir O-Sn O-SbO电极和Ti/Ti O-RNTs/Ru O-Ir O-Sn O-SbO电极对卡马西平的COD去除效率在120 min分别达到52%和63%。总之,本论文采用简单且绿色的钛基底改性方法,引入TiO和Ti O-RNTs中间层,提高了DSA电极的电催化性能和稳定性。因此,本论文的研究对DSA电极的实际工业应用具有重要意义。