高活性方形氧化铅与可视化电解槽协同促进电催化臭氧生产

臭氧是一种环境友好型氧化剂,可直接用于消毒、杀菌和废水处理,对于维护和促进公共卫生安全至关重要.由于臭氧容易分解,不利于储存,因此需要现制即用.目前臭氧生成技术主要包括:电晕放电法和电催化臭氧生产(EOP)技术.相较于电晕放电法,EOP是一种本质安全的臭氧生产技术.然而,该工艺相较于电晕放电技术电能消耗量大,为了使其更具商业可行性,有必要开发高活性且低成本的电催化剂.此外,合理的电解槽设计对于实现高效EOP过程也至关重要.然而,目前研究主要集中在提高EOP催化剂活性方面,对电解槽的结构设计优化的关注较少.本文通过开发高效电催化剂进而将其应用于结构优化后的电解槽中,实现了更加高效的EOP过程.本文采用水热方法成功制备了一种具有较高EOP活性的方形氧化铅(PbO_(x)-CTAB-120)电催化剂.在标准三电极测试系统中,电流密度为50 mA cm^(-2)的测试条件下,法拉第效率(FE)可达20.7%,与商用β-PbO_(2)(17.1%)相比提高了21.1%.此外,设计了具有平行流场的可视化EOP电解槽,该可视化电解槽在传质和传热方面具有明显优势,有利于实现更加高效的EOP过程.将催化剂PbO_(x)-CTAB-120组装至可视化电解槽中,在1.0 A cm^(-2)的测试电流密度下,电解液为超纯水,该体系气态臭氧产量可以达到588 mg h^(-1)g^(-1)catalyst,比能量消耗(PEOP)为56 Wh g^(-1)gaseous ozone.体系臭氧产量约为商用β-PbO_(2)在传统电解槽中产量的2倍,并且PEOP降低率超过62%.原位18O同位素标记差分电化学质谱和密度泛函理论计算结果表明,PbO_(x)-CTAB-120电催化剂在EOP过程中遵循晶格氧机理路径,晶格氧迁移产生的氧空位能有效稳定OOH^(*)和O_(2)^(*)反应中间体,因此有利于催化剂在EOP过程中保持较好的反应活性和稳定性.同时,还利用先进的高速摄像可视化工具和计算流体力学(CFD)仿真模拟研究了平行流场EOP电解槽的运行过程和高效传质传热的原理.CFD模拟结果表明,与传统流场模型相比,平行流场对应的出口气泡停留时间更长,说明平行流场更有利于产物气泡从出口逸出,即气泡容易快速扩散,与实验结果一致.因此,PbO_(x)-CTAB-120电催化剂与新型可视化电解槽相结合,有助于在超纯水中实现较好的气态臭氧产率和较低比能耗.此外,二者的结合充分发挥了电催化剂的EOP活性和电解槽的传质特性所带来的优势,实现了反应性和传输性的协同增强,从而极大促进了原位有机污染物降解效率.综上所述,本文在制备高效阳极催化剂的基础上,同时利用优化电解槽结构实现了提升臭氧产率和降低过程能耗,为高活性电催化剂与优化的电解槽耦合以实现高效EOP过程及其有效应用提供参考.

氧官能团MXenes用于电催化合成氨的理论筛选

电催化合成氨技术以绿色可再生的电能为驱动力,通过在室温条件下改变外加电压来克服速控步能垒,被认为是一种取代哈伯工艺的潜在选择.然而,该技术存在法拉第效率较低、氨气产率不高等问题.因此,设计高效的电合成氨催化剂是目前亟待解决的关键问题.氧官能团的二维过渡金属碳化物和氮化物(MXenes)由于具有独特的几何结构、高导电性和表面易调变等特点,在全水解、碳转化、氧还原或固氮等电催化过程中应用十分广泛.其中,表面氧官能团不饱和覆盖的MXenes材料的电催化合成氨性能较好,这是因为适量的氧空位能够调节活性中心的电荷分布,从而优化关键中间体的结合强度;同时,氧空位的存在为反应提供了足够的活性位点.然而,氧官能团MXenes家族庞大,种类众多,如何从中筛选出合适的合成氨电催化剂尚且缺乏理论指导.本文设计了一系列氧官能团的二维过渡金属碳化物和氮化物(MXenes)作为合成氨电催化剂,并通过密度泛函理论从稳定性、选择性和活性角度出发提出了一套较完善的筛选流程.以纯MXenes表面覆盖17/18氧官能团所需的极限电位来判断氧官能团MXenes的稳定性.通过对催化剂上氮气分子和氢原子的吸附行为进行比较来证明其选择性.通过比较潜在热力学决速步的吉布斯自由能(包括G_(N2-NNH),G_(NH-NH_(2))和G_(NH_(2)-NH3))快速获得反应所需的极限电位,可以快速筛选出最佳催化剂.在此基础上,通过吉布斯自由能计算,完整分析了Nb_(3)C_(2)O_(x)上电催化合成氨的反应机理并利用催化性能来验证筛选的准确性.计算结果表明,Nb_(3)C_(2)O_(x)催化剂上的热力学决速步为*NH_(2)加氢,吉布斯自由能仅上升了0.45 eV,与筛选结果一致.此外,结合套索算法,回归了氧官能团MXenes电催化合成氨性能Gx的表达式,探寻了催化活性来源.同时,由吸附能组成的描述符被证明是描述热力学决速步吉布斯自由能的重要变量.

基体(TDI-TMP-T313)与氧化剂(AP)相互作用的第一性原理研究

采用密度泛函理论(DFT)研究了氧化剂高氯酸铵(001)、(210)、(011)、(201)四种晶面的表面能并对其进行从头算分子动力学(AIMD)模拟,测试其稳定性。基体组分甲苯二异氰酸酯(TDI)、三羟基甲基丙烷(TMP)、三氟化硼三乙醇胺络合物(T313)在氧化剂晶面的吸附能同样由DFT进行计算。针对基体和氧化剂之间的相互作用进行了化学理论分析,最后选取吸附物和晶面相互作用最强的T313-AP(201)体系,模拟其分子电子结构并观察原子间的电荷转移情况。通过多种理论方法在分子尺度上揭示键合剂(T313)与氧化剂(AP)的作用机制,证实老化过程中产生的关键产物来源。