改性石墨毡气体扩散电极电催化脱除气态单质汞的研究

作     者：吴姮 

作者单位：贵州师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：蔡雄飞;李森

授予年度：2024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：石墨毡 H2O2 氧还原反应 Hg0脱除 电催化 

摘      要：煤炭作为我国主要的能源结构,燃烧后会产生汞污染,同时煤炭燃烧后的单质汞（Hg0）具有反应活性低、水中溶解性低以及干沉降速度慢的特点,通过大气循环造成全球范围内污染,对人体和动植物造成危害,因此对于Hg0的去除成为目前的研究热点。研究利用自制气体扩散电极电催化去除Hg0,通过对石墨毡（GF）改性得到高H2O2产量,探究了不同条件下改性电极的H2O2产生能力,并将该电极应用于Hg0的氧化脱除,同时探究了Hg0去除机理,利用响应面法优化Hg0去除的最佳条件,并验证最佳条件下Hg0去除效率,通过密度泛函理论（DFT）研究了O基团的协同效应,考察了不同O基团下催化剂的最佳结构,计算揭示不同含氧官能团对二电子氧还原反应（2e-ORR）的协同作用。 （1）高温煅烧后的催化剂性能有较好的提升,氧化碳黑（OCB）的缺陷程度以及含氧官能团含量都高于碳黑（CB）。探究OCB和乙醇不同质量比下制备得到电极的表征结果,其中质量比为1:16时,电极拥有良好的孔隙结构和高比表面积,同时在电化学测试下拥有最大的活性表面积、最高的响应电流和最低的电阻。 （2）催化剂与溶剂质量比为1:16时,120 min后H2O2产生量达到最高为758.8 mg·L-1,电流效率CE为62%,H2O2产生量结果与表征结果相符,该比例下电极有最佳孔隙结构和缺陷程度,使反应更容易生成H2O2。阴极电位从-0.4至-1.2 V,H2O2含量先增加再降低,在-1 V时效果最好;电解液浓度对H2O2产生量影响显著,电解液浓度越高,H2O2生成量越高;过高或过低的p H均不利于H2O2的产生。此外,同一块电极连续实验7次后,H2O2产生量下降了20%。 （3）与改性前GF相比,质量比为1:16的电极对Hg0去除效率提高了33%。电流密度、电解液浓度、p H以及电压对Hg0去除效率影响显著,结果呈先增加后减少的趋势。温度和Hg0初始进气量对Hg0去除效率影响不显著。对电极脱汞的重复性实验结果表明,该电极拥有较好的稳定性和重复性。探讨对电化学体系中脱除Hg0的氧化性物质和自由基,对体系中自由基淬灭,结果发现羟基自由基（·OH）是去除Hg0的主要自由基。 （4）利用响应面法优化对Hg0去除效率影响最大的三个因素,分别是电解液浓度、电流密度和p H。当电流密度为9.2 m A·cm-2、电解液浓度为0.06 mol·L-1和p H为4.6时,60 min对Hg0去除效率可达到81.51%,在优化的最佳条件下验证得到Hg0去除效率为81.48%大于未优化的实验值81%,因此确定该优化条件下对Hg0去除效率达到最高。 （5）利用DFT计算了CB中不同含氧官能团和CB的协同作用,计算2e-ORR中间体*OOH的吸附能和吉布斯自由能。吸附能的结果显示引入-C=O使CB结构更稳定,该结构可能提供更多的活性位点,调节2e-ORR的催化性能。计算吉布斯自由能后结果发现含氧官能团-C=O掺入后有利于O2还原为H2O2。