碳纳米管—聚吡咯修饰催化电极的制备及氯酚类污染物的电化学还原脱氯

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电催化还原脱氯是去除氯代有机污染物的有效方法,在氯酚类污染物的降解去除中具有较好的应用前景。本实验采用电化学沉积方法制备了多壁碳纳米管修饰的复合电极-钯/聚吡咯-多壁碳纳米管膜/钛(Palladium/Polymeric Pyrrolefilm-Multiwall-Carbon Nanotubes/Titanium,Pd/PPy-MWCNTs/Ti)电极,并对电极制备条件进行了优化。通过循环伏安法(Cyclic Voltammetry, CV)、扫描电镜(Scanning Electron Microscope,SEM)、X射线衍射(X-ray Diffraction,XRD)、电感耦合等离子体原子发射光谱(Inductively Coupled Plasma-Atomic EmissionSpectrometry, ICP-AES)对优化的Pd/PPy-MWCNTs/Ti电极性能进行了表征。以2,4-二氯酚(2,4-Dichlorophenol,2,4-DCP)为目标污染物,考察了脱氯电流、阴极室溶液初始pH值、电解质浓度、温度等因素对污染物降解的影响,优化了脱氯反应条件,分析了脱氯产物,并对脱氯路径和脱氯机理进行了初步分析。  CV表明,PPy-MWCNTs的修饰可以改变电极的电化学性能,提高电极的氢吸附能力,使电极具有更大的氢吸附峰电流值,可以推测此电极具有更好的电化学还原脱氯潜能。SEM表明,PPy-MWCNTs的加入改变了电极表面颗粒的沉积形貌,提高了电极的比表面积,并大大提高了催化性能。  考察了Pd/PPy-MWCNTs/Ti电极脱氯时,不同脱氯电流、不同脱氯时间对2,4-DCP去除率的影响,对电极稳定性也进行了考察。实验结果表明,随着脱氯电流的增大和脱氯时间的延长,2,4-DCP的去除率增大,电流效率降低。综合考虑去除率与电流效率确定最佳脱氯条件。当脱氯电流为3mA,阴极室溶液初始pH值为2.77,支持电解质Na2SO4浓度为0.08 mol/L,脱氯时间为90 min时,2,4-DCP可以达到100%去除。2,4-DCP在Pd/PPy-MWCNTs/Ti电极表面的电化学脱氯的动力学为一级反应,活化能为17.0 kJ/mol。Pd/PPy-MWCNTs/Ti电极在具有相对较高的去除率及电流效率的同时也具有很好的稳定性。电极重复使用八次后,2,4-DCP的去除率仍为100%。脱氯产物分析结果表明,2,4-DCP在脱氯过程中的主要中间产物为2-氯酚(2-Chlorophenol,2-CP)与4-氯酚(4-Chlorophenol,4-CP),在本实验脱氯时间范围内,Pd/PPy-MWCNTs/Ti电极的最终脱氯产物为苯酚及苯酚继续降解物质。  本实验通过对MWCNTs的表面官能团化来改善电极性能,并对官能团化MWCNTs修饰的Pd/PPy-MWCNTs/Ti电极进行了优化。通过CV、SEM、XRD、ICP-AES对优化的Pd/PPy-MWCNTs/Ti电极性能进行了表征。官能团化MWCNTs修饰的Pd/PPy-MWCNTs/Ti电极具有更好的氢吸附峰,更多的催化位点,更大的比表面积和更佳的脱氯性能。  以官能团化MWCNTs修饰的Pd/PPy-MWCNTs/Ti电极为阴极,铂片为阳极,对五氯酚(Pentachlorophenol,PCP)的还原脱氯进行了研究。随着脱氯时间的延长和脱氯电流的增大,PCP的去除率增大,电流效率降低。综合考虑去除率与电流效率确定最佳脱氯条件。当脱氯电流为5mA,阴极室溶液初始pH值为2.23,支持电解质Na2SO4浓度为0.08 mol/L,脱氯时间为90 min时,PCP的去除率可以达到100%。 PCP在Pd/PPy-MWCNTs/Ti电极表面的电化学脱氯的动力学为一级反应,活化能为18.1 kJ/mol。官能团化MWCNTs修饰的Pd/PPy-MWCNTs/Ti电极重复使用八次后能仍保持100%的去除率,电极稳定性很好。  实验表明,电化学还原法脱除水中氯代有机物在技术上是可行的,可以为水中氯代有机物的去除提供切实可行的技术及相关理论依据。
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