Pd-In双金属电极材料制备及催化电还原水中消毒副产物的研究

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电化学方法可有效去除水中消毒副产物三氯乙酸(TCAA)、溴酸盐(BrO3-),因其环境友好、工艺简单、不引入新污染物而具有较好的应用前景。电化学还原消毒副产物包括直接电子还原和间接原子氢H*还原两个过程,因此加速电子转移、增加原子氢H*含量是提高电化学还原效率的关键。相比于传统的二维电化学反应过程,三维粒子电极的加入,可有效提高电子的转移效率。Pd金属因其独特的电子构型,有利于电化学催化生成原子氢H*还原目标污染物。并且,Pd基催化剂的产氢性能和催化性能,可通过加入有效的助金属催化剂In来提升。因此,本文利用共沉淀法合成Pd-In双金属材料,考察其对溴酸盐的电化学去除效果,并利用三维电极反应器,研究了其对TCAA的处理效果和作用机制。  (1)通过共沉淀法合成Pd-In/C双金属电极,用于BrO3-的电化学连续去除。随着In的加入,Pd-In/C对BrO3-的催化活性逐渐提升,Pd-In原子比为1∶4时,其对BrO3-的电催化还原能力最好,可将BrO3-高效还原为Br-。In的加入,提高了Pd1-In4/C中Pd、In的分散性,降低了与原子氢H*生成有关的Pd颗粒的团聚。并且,与单金属Pd催化电极相比,Pd1-In4/C中金属Pd更富电子,有利于原子氢H*的生成。此外,Pd1-In4/C在所有Pd基电极中表面Zeta电位最高,且为正电,可促进电极表面吸附BrO3-。与Pd/C相比,Pd1-In4/C电极对BrO3-的还原活性提高了7%,比纯C电极提高了33%。连续30天的实验室连续运行处理发现,Pd1-In4/C电极在0.9mA/cm2,水力停留时间20min条件下,10μg/L,可以对初始浓度约23μg/L的BrO3-实现低能耗(0.21Kw·h/t)、高效率(91%)的连续、稳定有效去除。  (2)合成了不同Pd∶In比例的Pd-In/Al2O3双金属粒子电极,在三维电极反应体系,考察了其对TCAA的还原效果。随着In的加入,Pd-In/Al2O3对TCAA的催化活性先增加后降低,在Pd-In原子比为1∶1时,其对TCAA催化还原能力最强,且还原过程满足准一级反应动力学。初始浓度为500μg·L-1的TCAA,在低电流密度(0.9mA·cm-2)条件下,30min内即可去除94%的TCAA。并且,在相同实验条件下,Pd/Al2O3催化剂只能将TCAA还原为二氯乙酸(DCAA),而Pd-In/Al2O3则可以将其进一步还原为一氯乙酸(MCAA)。依据原子氢H*掩蔽实验,TCAA电还原过程中同时存在直接电子还原和间接原子氢H*还原过程。原子氢掩蔽实验表明,In的加入,增强了间接原子H*还原过程,并且是TCAA还原的主要过程。XPS分析表明,Pd-In/Al2O3催化剂在In加入后,金属Pd以富电子形式存在,提高了溶液中原子H*的含量,ESR的信号更直观的证实了这一点。此外,In的加入,也增强了直接电子转移过程,在TCAA电化学去除过程中,表现出明显的Pd-In协同效应。
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