Pd-Cu/碳基电极电化学还原去除地下水中NO3-的研究

作     者：刘璐 

作者单位：南京大学 

学位级别：硕士

导师姓名：韩永忠

授予年度：2017年

学科分类：08[工学] 0815[工学-水利工程] 

主      题：电化学还原 NO3- Pd-Cu电极 地下水 

摘      要：地下水的硝酸盐(NO3-)污染是个日趋严重的环境问题,电化学还原法将电化学技术与催化技术相结合,具有操作简单、处理效果好、适用性强等优势,适合地下水中NO3-的处理,其中,电极材料的性能是制约该工艺发展的关键因素。据此,本研究结合碳材料的稳定性、Cu的高催化活性以及Pd的高N2选择性,制备了 Pd-Cu/碳基电极材料,研究了相关的电化学去除NO3-的方法。本论文制备了 Pd-Cu/碳基电极并对其进行表征,通过电化学分析实验,研究电极对NO3-的催化活性及电极反应动力学;通过电解实验,研究不同影响因素对NO3-去除及产物选择性的影响,同时分析电极的稳定性,提出NO3-在Pd-Cu/碳基电极上的还原机理。首先,采用恒电位沉积法,在-0.4 V(***)的电位下在玻碳和碳毡上分别制备不同金属比例的Pd-Cu电极,并对电极的表面形貌、金属组成和电化学性质进行表征,研究发现,Pd和Cu在电极表面分布均匀,通过调节沉积液中双金属的比例可以有效控制电极中的金属比例,不同比例Pd-Cu电极有着不同的电化学性能和氢吸附能力。其次,采用线性扫描伏安法、电化学交流阻抗谱法和计时电流法,研究了 Pd-Cu电极对NO3-的电催化还原性能。Cu电极上,NO3-的还原反应为可逆的扩散控制过程,Pd-Cu电极上,由于吸附氢的影响,电极反应为不可逆扩散控制过程;不同比例Pd-Cu电极对于NO3-都有较高的催化活性,其中Pd3Cu7电极的灵敏度最高,约为653μA(μM cm2)-1,NO3-的反应速率常数也最高,约为0.035 s-1;电极对NO3-的吸附符合Langmuir吸附模型,Pd-Cu比越高,吸附的吉布斯自由能越负,在Pd7Cu3上达到-17.08 kJM-1;阻抗分析表明,Pd3Cu7上的电荷转移电阻最小,约为40.1 Ω cm2。最后,通过恒电位电解实验研究了电极对NO3-的去除效果,发现Pd-Cu电极对于NO3-有较强的去除效果。CO2缓冲能够提高NO3-去除率和N2选择性;电极制备时间和NO3-的初始浓度对NO3-的去除有一定的影响;在应用电位为-0.8 V～-1.3V(***)范围内,在同一电极上,随着电位负移,NO3-的去除率提高,NO2-选择性降低,NH4+和N2选择性提高;在同一电位下,随着Pd-Cu比例的升高,NO2-的选择性降低,NH4+和N2的选择性升高;10mMNO3-电解90min后最高去除率达到84%,出现在-1.3 V时的Pd3Cu7电极上,最高N2选择性达到40%,出现在-1.3 V时的Pd7Cu3电极上。Pd-Cu电极具有较好的稳定性,能够多次重复使用。NO3-在Pd-Cu电极上的还原机理包括直接还原和间接还原,直接还原是Cu对NO3-的催化作用,中间产物是NO2-,最终产物是NH4+,而间接还原由Pd表面的吸附氢引起,能将NO2-还原为NH4+和N2,间接还原决定了 N2的生成及其选择性。综上所述,Cu对NO3-有较高的催化活性,Pd使NO3-的还原具有N2选择性,碳毡提供了高稳定性的基底,因此Pd-Cu/碳基电极在地下水中NO3-的去除中有着较好的应用前景。