钯基催化剂在电催化加氢脱氯技术的应用与挑战

电催化加氢脱氯(EHDC)技术是一种新型的高效、安全、绿色的水处理技术。钯(Pd)催化剂作为较有效的EHDC催化剂由于其易失活和价格昂贵的原因限制其工业应用。本文分析了调控Pd的形态结构(分散度、颗粒大小、晶面)、尺度效应(单原子催化剂、双原子催化剂)和电子结构调控对提升Pd的EHDC性能的研究进展,提出提升Pd对污染物的有效吸附能够提升EHDC性能。探讨了其他因素(工作电位、共存离子、pH等)对其活性的影响。对EHDC技术未来应用进行了展望,以简单方式制备Pd单原子催化剂,实现100%的原子利用率,显著降低Pd的成本,耦合可再生能源技术降低能源成本,推动工业化应用是未来的一个研究方向。

Pd-MWCNTs-泡沫镍电极对2,4-二氯苯酚的电催化加氢脱氯研究

为发展废水中氯代酚的处理技术和保护水环境安全,采用"浸渍-干燥-电沉积"法制备钯-多壁碳纳米管-泡沫镍电极,研究电极对2,4-二氯苯酚(2,4-DCP)的去除能力和动力学特征,并探讨了2,4-DCP的脱氯机理.结果表明,在MWCNTs和Pd负载量分别为0.7 mg·cm^(-2)和0.01 mmol·cm^(-2)时制备的电极对2,4-DCP去除效果最好;掺入多壁碳纳米管(MWCNTs)可增大电极的表面积,提高Pd的分散性,增强电极的催化效率.当Na_(2)SO_(4)浓度为0.05 mol·L^(-1),工作电压为-1 V,反应液初始pH为7时,50 mg·L^(-1)的2,4-DCP降解90 min的去除率达到99.74%,降解过程符合一级反应动力学模型,速率常数为0.0667 min^(-1).采用高效液相色谱法监测2,4-DCP的降解产物,发现苯酚为2,4-DCP还原的最终产物,降解途径包括直接脱去2个氯原子转化为苯酚和分步脱去2个氯原子再转化为苯酚,但以直接脱去2个氯原子为主要途径.活性基淬灭实验证明,电极通过产生的吸附态氢原子(H_(ads))对2,4-DCP进行加氢脱氯.

PPY掺杂离子对电催化脱氯Pd/PPY/Ni电极的影响

为制备高效稳定的用于电催化去除氯代有机物的电极,采用扫描电子显微镜和电催化脱氯实验考察不同聚吡咯掺杂离子对Pd/PPY/Ni复合电极的形貌和电催化加氢脱氯性能的影响.将制备的电极在强吸附性阴离子存在情况下,考察其电催化性能的变化.结果表明,掺杂离子对复合电极的形貌和电催化性能有显著的影响,对甲苯磺酸掺杂的聚吡咯对应的Pd/PPY(PTS)/Ni电极有最高的电催化加氢脱氯效率(高达91.1%),高氯酸钠掺杂的聚吡咯对应的电极电催化性能最差.电催化体系中强吸附离子(ClO4-,Cl-)的存在对电极性能有微弱影响,表明电极具有良好的稳定性,可高效去除水中的氯酚类氯代有机物.

掺磷PdNi催化剂的合成及其电催化脱氯机理研究

采用一步法合成含磷掺杂的Pd/NiP三元合金材料,其透射电子显微镜图、场发射扫描电子显微镜图以及X射线光电子能谱图等结果显示,合成的Pd/NiP材料为直径(4.4±1.0)nm的超细纳米颗粒.循环伏安结果显示该材料具有优异的电化学性能,Pd/NiP纳米颗粒中Pd的电化学活性比表面积(ECSA)为42.11 m^(2)/g,是商业Pd/C纳米颗粒的1.5倍;Pd/NiP材料对4-氯苯酚(4-CP)显示出优异的电催化脱氯活性,直接电化学还原脱氯和间接电催化脱氯加氢两种途径均参与到4-CP的电催化脱氯过程中.同时,伏安特性分析显示,直接电化学还原脱氯过程中的电子转移系数(k)远小于0.5,表明C-Cl键的裂解遵循同步离解电子转移机理.研究表明,掺杂Ni和P原子引起的协同效应和压缩应变显著增强了Pd生成与储存氢原子的能力,同时有效抑制了氢气析出反应(HER),进而提升了电催化还原脱氯效率.电解实验结果显示,1.02 mg该材料对2 mmol/L 4-CP的脱氯效率在360 min内可达到87.5%,表观速率常数为0.005 7 min^(-1),展现了极强的催化脱氯活性.三次循环实验结果显示,其脱氯效率仍达到70%以上,表明该材料具有较好稳定性.本工作为掺磷双金属纳米颗粒的合成提供了一种简便策略,同时为电催化脱氯过程提供了一种良好的催化材料,为脱氯机理研究提供了重要参考.

电沉积法制备Pd-TiO2NTs/Ti电极降解2,4-二氯苯酚的试验研究

氯酚类物质中,2,4-二氯苯酚(2,4-DCP)是一种广泛存在于自然界中的含氯有机物,具有遗传毒性、致癌性,可能会造成严重的环境问题。目前用于去除2,4-DCP含氯有机污染物的方法均存在一定的缺陷。采用电沉积法将钯(Pd)负载在二氧化钛(TiO2)纳米管上作为阴极,通过Ti片阳极氧化的方式合成TiO2NTs/Ti载体作为阳极,制备了一种新型的载Pd电极Pd-TiO2NTs/Ti,用于2,4-DCP的脱氯,并通过对2,4-DCP进行电催化加氢脱氯试验考察了不同pH值和电流条件下对2,4-DCP的脱氯效果。试验结果表明:在pH值为5、电流为50mA的条件下,经过90min反应,2,4-DCP的脱氯效率达到91.5%,可为实际废水处理中2,4-DCP等氯酚类物质的去除提供新的思路。

花状CoMOF中间层修饰钯/泡沫镍电极对三氯乙酸脱氯研究

针对常规污染控制技术难以去除饮用水中三氯乙酸(Trichloroacetic acid,TCAA)的问题,制备了花状CoMOF中间层修饰钯/泡沫镍电极(Pd/CoMOF/RNF),采用SEM、TEM、XRD、XPS等方法对其进行表征分析,探究了Pd/CoMOF/RNF电极对TCAA的还原脱氯影响因素和实际潜在应用及脱氯强化机制.结果表明:所制备电极具有中空微米花结构,Pd纳米颗粒均匀分布在CoMOF纳米片上;当阴极电位为-1.0 V、TCAA初始浓度为1 mg·L^(-1)、初始pH值为5.5时,反应90 min后,TCAA降解效率达到最高98.2%,且经过5次循环实验后,TCAA脱氯效率基本不变,具有较好的稳定性;氯乙酸(Chloroacetic acid,CAAs)在60 min后就可降至60μg·L^(-1)以下;结合电化学测试、电子自旋共振谱(Electron spin resonance,ESR)测试和密度泛函理论(Density functional theory,DFT)计算,花状CoMOF中间层的引入增加了电极活性面积,提供更多的活性位点,同时促进电子迁移速率,产生更多具有更强吸附能力H*_(ads),从而有效增强脱氯效率.因此利用Pd/CoMOF/RNF电极电催化还原降解TCAA具有很大的应用潜力.

酸性体系中Pd／PPy／foam-Ni电极电化学还原三氯甲烷

在沉积电流密度5mA.cm-2,沉积时间40min条件下,通过电沉积方法制备Pd/PPy/泡沫镍(foam-Ni)电极,以Pd/PPy/foam-Ni电极为阴极研究酸性体系中三氯甲烷的电化学还原脱氯,实验在室温条件下进行.采用循环伏安法对电极进行测试,Pd/PPy/foam-Ni电极在-500mV(vsHg/Hg2SO4)左右获得很大的氢吸附峰电流值,峰电流值为-100mA.扫描电镜(SEM)分析表明,聚吡咯的引入改变了Pd在电极表面的沉积形态,使电极表面具有很好的空间延伸性.在酸性体系中进行Pd/PPy/foam-Ni电极对三氯甲烷的电化学还原脱氯实验,结果表明,综合考虑三氯甲烷去除率及脱氯过程电流效率,在保证脱氯过程电流效率为44.17%的条件下,三氯甲烷的去除率为49.23%,此时最佳脱氯电流密度为0.05mA.cm-2,最佳脱氯时间为180min,实现了在酸性水溶液体系中,低初始浓度三氯甲烷较好的脱氯效果.