B/N掺杂金刚石电氧化降解全氟辛酸和电还原CO2性能研究

作     者：杨浩雷 

作者单位：大连理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘艳明

授予年度：2022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：电氧化有机污染物 电还原CO2 B/N掺杂金刚石 电催化 sp2/sp3碳 

摘      要：水中有毒难降解有机物污染和二氧化碳(CO)大量排放对生态环境和人类健康带来严重威胁。电化学技术降解有机污染物和CO转化具有条件温和、操作简单、环境友好、无需添加化学试剂的优点。其中电催化氧化技术可将有机污染物彻底矿化,是有应用前景的水深度处理技术。然而,目前电催化氧化有机污染物技术由于电极催化活性低导致难降解有机污染物降解速率慢、能耗高等瓶颈。电催化还原技术将CO转化为有价值的化合物可减缓温室气体CO排放并资源化利用,其主要难题是电催化剂活性低、C-C偶联反应难以发生,导致多碳产物生成效率低、选择性差。针对上述问题,本论文设计了高活性的硼氮掺杂金刚石(BND)电极,制备了不同组分的BND,探索了硼氮掺杂含量和sp-C对BND电极电催化氧化还原性能的调控作用,研究了BND电催化氧化降解有毒难降解有机污染物和电催化还原CO的性能。取得的主要研究成果如下:(1)采用热丝化学气相沉积法制备了不同硼氮掺杂浓度的BND电极,表征了所制备BND的形貌、晶体结构和掺杂含量,研究了硼氮含量对BND电氧化降解全氟辛酸(PFOA)性能的调控作用。结果显示BN D电极是由40～160 nm的晶粒构成的完整、连续薄膜。BND属于立方晶金刚石,质量良好。在硫酸钠电解液中,BND电氧化降解PFOA的速率随着B和N含量的适当增加而增大。在低电流4 m A cm下,B含量为1.10 at%、N含量为0.71 at%的BND降解速率最快,动力学速率为0.040 min,总有机碳去除率在150 min内可达到为92.3%,性能达到目前文献报道电极的最高值行列。自由基鉴定实验显示BND电化学活化硫酸盐溶液产生了具有强氧化性的SO和·OH,克服了大部分电极材料无法活化硫酸盐产SO的不足。加入自由基淬灭剂的降解实验表明PFOA主要通过SO和·OH降解。(2)通过向BND中引入sp-C强化BND低电压下电还原CO选择性产多碳产物。采用金刚石粉高温煅烧法制备了硼氮和sp-C共掺杂金刚石(BNHC),研究了硼氮掺杂和sp-C对电还原CO性能的影响。表征结果显示所制备的BNHC是4.7±0.6 nm的纳米核壳颗粒,核是立方晶金刚石(sp-C),壳是石墨碳(sp-C)。在N含量为5.2 at%,B含量为6.2 at%时,BNHC在低过电位下电还原CO选择性产乙醇。在电压-0.5～-0.6 V(***),生成而二碳产物的法拉第效率为58.8%～69.1%,其中产乙醇的效率为51.6%-56.0%。BNHC高效产乙醇主要源于sp-C和sp-C的协同作用以及硼氮掺杂,其中硼氮掺杂的sp-C有利于二碳产物生成,sp-C显著降低了产乙醇的过电位。