Pd基纳米材料的改性及电催化脱氯性能研究

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近年来,随着经济的快速发展,水污染状况日趋严重。其中,氯酚作为一种持久性有机污染物,以其高毒性、持久性、难降解性、来源广泛性受到人们的高度重视。如何有效处理水体中的氯酚一直是科研工作的研究重点,发展高效且环境友好的氯酚处理技术刻不容缓。纵观含氯有机物的各种处理技术,电催化氢化还原技术因其高效、无二次污染、条件温和等优势脱颖而出,在含氯有机污染物的治理领域中具有很好的应用前景。贵金属钯(Pd)因其优越的性质和较高的催化活性,成为了电催化脱氯技术处理氯酚的研究热点。但因其成本较高,在环境修复实际应用中受到了一定的阻碍,如何提升Pd基纳米材料在电催化脱氯技术中的利用效率成为了一个较为关键的问题。众所周知,通过添加促进剂或与另一种元素合金化可以提高过渡金属催化剂的性能。促进剂(或合金的第二种元素)是通过d-band center的改变或静电相互作用使反应中间体的能量发生细微的变化,且通常只占催化系统的小部分。本文利用单分散AgPd双金属NPs模型催化剂研究了电催化加氢脱氯(EHDC)反应,揭示了催化惰性组分Ag在促进双金属纳米催化剂催化2,4-二氯苯酚(2,4-DCP)转化为苯酚(P)中的重要作用。通过系统地研究EHDC反应速率、电流效率和产物选择性,发现双金属NPs中Ag含量活性的影响呈现“火山型”变化趋势。再结合动力学分析和密度泛函理论计算的结果,表明NPs表面2,4-DCP吸附和P脱附之间的平衡是EHDC效率的主导因素,而不是其它过程(如氢吸附剂H*ads的形成)。与单组分Pd催化剂相比,AgPd NPs中Ag的含量若能精确地控制在适当的范围内,则可以缓解过强的P吸附,从而极大地提高催化剂的EHDC反应动力学。这一发现为深入了解双金属纳米催化剂上的EHDC机理,同时也为进一步优化这一重要的环境电催化策略提供了一条简便的途径。通过调研文献发现,非金属元素(如硼、磷)也可以作为促进剂来提高Pd NPs的电催化性能。这种促进作用通常是由于加入B原子后Pd的晶格发生收缩,从而导致Pd的空间电子结构发生改变。实验利用无表面活性剂的湿化学还原法制备了B掺杂的Pd纳米颗粒催化剂。结合相关材料表征、密度泛函理论(DFT)计算和电化学测试结果,发现B掺杂改变了Pd的电子结构,并且优化了Pd NPs对2,4-DCP和Phenol的吸附强度,促进了EHDC反应进行。这一结果进一步验证了本文关于Pd基纳米材料的EHDC反应机理,同时提升了Pd基纳米材料EHDC技术在实际环境修复中的经济效益。本文的研究工作为深入研究双金属纳米颗粒的EHDC机理和提高Pd基催化剂的EHDC性能提供了有效的策略,且对EHDC技术在实际环境修复中的应用具有重要意义。
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