硝基化合物在碳化钨及其复合物电极上的电催化还原行为

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本文结合国内外碳化钨(WC)及其复合物催化剂在化学中的应用和研究进展,用XRD和SEM分别对WC及其复合电极进行了成分分析和电极形貌的表征,并用各种电化学实验测试手段对硝基化合物在WC及其复合电极上的还原反应特性和动力学特征进行了深入的研究。 用优化工艺制备出的WC及其复合物电极,通过SEM和XRD表征,发现电极表面较均匀,经分析,其中主要是WC起催化作用。 采用循环伏安法、准稳态极化曲线法、线性扫描法、恒电位阶跃法及计时电位法等电化学测试手段,分别研究了在酸性和碱性介质中硝基苯和硝基甲烷在WC电极、WC-Ni电极上的反应性能和动力学特征,并对WC电极、WC-Ni电极在酸性和碱性溶液中的析氢特性进行了研究。研究表明:在酸性溶液中,WC和WC-Ni电极是较好的析氢材料。在碱性介质中,WC及其WC-Ni电极催化还原硝基苯的活性比Ni电极好得多。碱性介质中硝基苯在WC及其复合物电极上的还原主要受反应物(或产物)吸附的控制。无论在弱酸性还是弱碱性介质中,硝基甲烷在WC电极上的还原主要受扩散步骤的控制。碳化钨粒径的大小是影响其催化活性的主要因素,在碳化钨中掺杂Ni,也能提高其催化活性。另外,反应电流随着温度的升高而增大,同时溶剂、导电网的选择对电化学反应也具有重要的影响。实验测得的基本动力学参数如下:碱性和酸性介质中硝基苯在WC电极上的交换电流密度和传递系数分别为:i0=3.1×10-6A/cm2,αn=0.43和i0=9.9×10-5A/cm2,αn=0.35;碱性和酸性介质中硝基苯在WC-Ni电极上的交换电流密度和传递系数分别为:i0=1.2×10-6A/cm2,αn=0.41和i0=7×10-5A/cm2,αn=0.42;碱性和酸性介质中硝基甲烷在WC电极上的交换电流密度和传递系数分别为:i0=2.9×10-5A/cm2,αn=0.33和i0=1.39×10-4A/cm2,αn=0.15 本研究表明,WC及其复合电极对硝基苯、硝基甲烷等硝基化合物电还原具有较好的催化活性,有望在有机加氢反应中取代贵金属作为催化剂而降低成本。
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