不銹鋼基不溶性催化電極的制備——及其對難降解有機(jī)廢水的電催化降解作用.pdf

1、電極材料是電化學(xué)的基礎(chǔ)，現(xiàn)代電化學(xué)技術(shù)和電化學(xué)工業(yè)發(fā)展的技術(shù)先導(dǎo)。鈦基形穩(wěn)陽極的開發(fā)促進(jìn)和實(shí)現(xiàn)了氯堿工業(yè)的革命，使高性能電極材料的研究成為電化學(xué)的前沿課題。本工作針對鈦基形穩(wěn)陽極對其它應(yīng)用領(lǐng)域催化活性不夠高，制備成本尚嫌昂貴等問題，進(jìn)行鈦基形穩(wěn)陽極的改性研究，不銹鋼基不溶性催化陽極研究，具有催化活性的陰極材料的研究，進(jìn)而研究了所制備的電極材料對難降解有機(jī)廢水的催化活性及其催化作用機(jī)理。 采用高溫?zé)岱纸夥椒ㄖ苽淞薚i/IrO<,

2、2>-RuO<,2>-CEO<,2>陽極，試驗(yàn)結(jié)果表明，電極制備的優(yōu)化條件為：涂裝次數(shù)10～12次，烘干溫度80℃，熱氧化氣氛為氧氣，溫度450℃，時(shí)間10min。經(jīng)掃描電鏡表征，所制得的電極催化層為多孔的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，無龜裂。在0.5 mol/L H<,2>SO<,4>溶液中，電極的析氧電位為1.3 V。電極的催化活性優(yōu)于形穩(wěn)陽極，制備工藝的復(fù)雜性和制備成本與形穩(wěn)陽極相當(dāng)。 針對鈦基形穩(wěn)陽極對處理難降解廢水催化活性不夠高，制備

3、成本尚嫌昂貴等問題，提出不銹鋼基不溶性催化電極的構(gòu)想和設(shè)計(jì)方法，制備了不銹鋼基CeO<,2>-PbO<,2>陽極。試驗(yàn)結(jié)果表明，由于易發(fā)生表面氧化等問題，采用制備鈦基不溶性陽極常用的熱分解法無法在不銹鋼基體上制備催化層，本研究采用電沉積法解決了這一難題，得出了電極制備的優(yōu)化條件：電流密度5～15 mA/cm<'2>，溫度60℃。電極催化層結(jié)構(gòu)呈多孔狀，粒子結(jié)構(gòu)呈四面體型。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，摻雜CeO<,2>可明顯起到細(xì)化晶粒的作用。在0.5 m

4、ol/L H<,2>SO<,4>溶液中，電極的析氧電位為2.1 V。在3 mol/L H<,2>SO<,4>溶液，電流密度1 A/cm<'2>，溫度35℃條件下，電極的使用壽命為1100 h。該陽極對染料廢水有良好的催化活性，并具有析氧電位高、使用壽命長、制備成本低等優(yōu)點(diǎn)，尚存在著陽極脆性較大等不足。 采用復(fù)合電沉積法制備了不銹鋼基CNT(碳納米管)-PbO<,2>陽極。電極制備的優(yōu)化條件為：電流密度5～15 mA/cm<'2

5、>，溫度60℃。電極催化層粒子結(jié)構(gòu)呈四面體型，碳納米管晶粒的加入改變了電極催化層微觀形貌，生成大量圓柱狀小孔，使得電極的比表面積增加。在0.5mol/L H<,2>SO<,4>溶液中，電極的析氧電位為1.8 V。該陽極具有良好的催化活性，較高的析氧電位，制備工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)。采用脈沖電沉積法，制備了以不銹鋼為基體，以非晶態(tài)Ni-W-P為載體，摻雜SiC和稀土元素的陰極材料。當(dāng)電流密度10 A/dm<'2>、pH值4.5，溫度65℃，占空比

6、1：3～5時(shí)，頻率在300～800 Hz范圍內(nèi)，可得到晶粒細(xì)小、周邊平滑致密、硬度較高的鍍層，800 Hz時(shí)效果最好。電極鍍層結(jié)構(gòu)致密而多孔，具有高的比表面積，因而與氧氣接觸面積大，對氧氣生成H<,2>O<,2>具有良好的催化作用。 以不銹鋼基CeO<,2>-PbO<,2>為陽極，不銹鋼片為陰極，設(shè)計(jì)了電催化反應(yīng)器。反應(yīng)器結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，每個(gè)單元反應(yīng)室內(nèi)的電極和曝氣設(shè)備可以單獨(dú)進(jìn)行安裝和調(diào)換。電極最佳結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)為：

7、電極間距8 mm，粒子電極粒徑4 mm，粒子填充量60％，槽電壓15 V。在該參數(shù)下，電催化反應(yīng)器對抗生素難降解廢水具有良好的處理效果。 采用動電位極化法和伏安曲線法等電化學(xué)方法，研究了所制備的不溶性電極對有機(jī)物的電催化降解機(jī)理及其動力學(xué)過程，發(fā)現(xiàn)在電催化過程中存在著一個(gè)特征電位，該特征電位與羥基自由基的產(chǎn)生密切相關(guān)，特征電位出現(xiàn)的位置與有機(jī)物濃度無關(guān)，電流峰值大小隨有機(jī)物濃度的升高而增大。隨有機(jī)物溶液溫度的上升，電極上出現(xiàn)的