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电化学催化还原液相硝酸盐氮的工艺因其产物可控性高、效率高、设备占地面积小等优势,近来备受重视,其中,阴极材料的制备更是该领域的研究热点。阴极材料的选择过程中,传统的廉金属材料难以达到理想的硝酸盐氮去除效果;而铂(Pt)、铑(Rh)等贵金属材料虽可高效去除硝酸盐氮,但成本高昂,难于实现工业化应用。为解决上述矛盾,本研究以Ti电极为基体,分别采用涂刷热分解法和异位电沉积法,制备出了两种新型的廉金属复合阴极,即Ti-Sn O2阴极与Ti(100-δ)Cuδ阴极。利用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)以及X射线光电子能谱(XPS),对这两种复合阴极的微观形貌、物相组成以及元素价态加以分析;再结合电化学测试以及液相硝酸盐氮的降解实验,对这两种复合阴极的电催化性能、抗腐蚀性能和产物选择特性等进行了对比分析;最后,结合以上表征和分析结果,对这两种复合阴极还原NO3-的机理进行深入探究。本研究的主要成果如下:(1)利用涂刷热解法制备出了含锡摩尔比m分别为0.2 mol/L、0.5 mol/L、0.65mol/L、0.8 mol/L的Ti-Sn O2阴极。SEM、XRD、XPS分析结果显示,Ti-Sn O2阴极表面的确附着有活性组分Sn O2,但Sn O2的存在会导致电极表面出现裂纹,从而导致其稳定性和抗腐蚀性能均低于Ti阴极,Tafel曲线上Ti-Sn O2阴极抗腐蚀电位的降低也证明了此推论。此外,过量Sn O2的存在会使Ti-Sn O2阴极表面的裂纹数量显著增加,同时会使其过电位显著提高,导致电极极易发生极化反应从而最终影响其还原NO2-所得产物的选择性。电化学测试以及液相硝酸盐氮的降解实验结果表明,一方面,Sn O2的存在会使Ti-Sn O2阴极表面的活性点数量得以增加,进而通过提高Ti-Sn O2阴极对NO3-的吸附活性或还原活性、以及还原反应速率,进而提高其对NO3-的去除率,并且这种正面促进作用与Sn O2的添加量无关。另一反面,Sn O2的存在也可同步提高Ti-Sn O2阴极对NO2-的吸附活性与还原活性,导致其在降解NO3-的过程中不会出现明显的NO2-积累现象,最终提高其对理想产物N2的选择性,实现NO3-的深度降解。(2)利用异位电沉积法制备出了Cu的质量分数δ分别为0.02、0.28、1.39、5.65的Ti(100-δ)Cuδ阴极。SEM、XRD、XPS分析结果显示,Ti(100-δ)Cuδ阴极表面的确附着有活性组分Cu,并且当0.28≤δ≤1.39时,活性组分Cu在Ti(100-δ)Cuδ阴极表面的生长呈(111)晶面择优取向,这有助于提高Ti(100-δ)Cuδ阴极的稳定性;但当δ=5.65,即载铜量过度时,单质Cu在电极表面的结晶会受到抑制从而使得电极表面镀层的稳定性降低。此外,Tafel曲线也显示,当载铜量适度时,活性组分Cu的存在可使得Ti(100-δ)Cuδ阴极的抗腐蚀性能明显高于Cu阴极,但载铜量过度时,却会使Ti(100-δ)Cuδ阴极呈现出Cu阴极所固有的抗腐蚀性能差的特性。同时,其他电化学测试以及液相硝酸盐氮的降解实验结果表明,一方面,活性组分Cu的存在可增加电极表面的活性点数量,从而提高Ti(100-δ)Cuδ阴极对NO3-的吸附活性、还原活性以及还原反应速率,进而提高其对NO3-的去除率,并且这种正面促进作用的强度随载铜量的增加而增强。另一方面,适量活性组分Cu的存在会弱化Ti(100-δ)Cuδ阴极对NO2-的吸附活性,但却会强化其对NO2-的还原活性,且这种强化程度也随着载铜量的增加而增强,导致Ti(100-δ)Cuδ阴极在降解NO3-的过程中不会出现明显的NO2-积累现象,最终提高其对理想产物N2的选择性,实现NO3-的深度降解;然而,过量载铜虽会提高Ti(100-δ)Cuδ阴极对NO2-的吸附活性,但却会因其镀层稳定性的降低而减小其对N2的选择性。(3)通过SEM、XRD、XPS的分析结果对Ti-Sn O2阴极与Ti(100-δ)Cuδ阴极进行对比发现,这两类廉金属复合阴极表面均附着有活性组分,并且Ti(100-δ)Cuδ阴极表面活性组分的覆盖率更大,且未有裂纹出现,这说明Ti(100-δ)Cuδ阴极表面活性组分Cu与Ti基体的结合程度以及电极的稳定性更具有优势。同时,Tafel分析表明,Sn O2与Cu的加入均会降低电极的抗腐蚀性能,而两者中Ti(100-δ)Cuδ阴极的抗腐蚀性能稍具优势。同时,其他电化学测试以及液相硝酸盐氮的降解实验结果表明,一方面,Ti(100-δ)Cuδ阴极的伏安电量q值虽远小于Ti-Sn O2阴极,且Ti(100-δ)Cuδ阴极的NO3-还原峰的峰电位稍大于Ti-Sn O2阴极,但其NO3-还原峰的峰电流与反应速率常数k值却远大于Ti-Sn O2阴极,故整体而言,Ti(100-δ)Cuδ阴极还原NO3-的活性远高于Ti-Sn O2阴极,其NO3-去除率具有明显优势。另一方面,Ti-Sn O2阴极的NO2-还原峰的峰电位小于Ti阴极,而Ti(100-δ)Cuδ阴极的NO2-还原峰的峰电位却大于Ti阴极,但同时其峰电流却明显更大,故虽然Ti(100-δ)Cuδ阴极吸附NO2-的活性弱于Ti-Sn O2阴极,但其还原NO2-的活性却更强,因此,这两类阴极还原NO2-所得的理想产物N2的生成量相当。