金属酞菁/碳纤维电催化降解有机污染物的研究

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随着工业化和城市化的迅猛发展,水污染问题日益突出,主要来源于工农业发展过程中产生的难生物降解的、有毒有机污染物,例如染料、酚类、抗生素和农药等,对环境和人类造成严重的、长期的危害。这些污染物成分复杂、色度高、化学需氧量高,采用传统的物理法和生物法很难将其降解,高级氧化技术(AOPs)通过产生强氧化活性种,可将其降解成易生化的小分子物质或彻底矿化,但是需要加入额外试剂,近年来逐渐发展起来的电化学高级氧化技术(EAOPs),在阴极通过还原O2,可原位生成H2O2,且在常温常压下操作,可方便控制反应过程,电子作为反应的直接参与者,是一种绿色环保的技术。电极材料多种多样,但仍然存在一些不可避免的缺点,例如电极的析氧电位低、寿命短等,因此,急需开发具有高效、稳定电极的电催化体系。金属酞菁由于具有类似生物酶的活性、良好的化学稳定性和导电性,吸引了越来越多的关注,被广泛作为催化剂用于有机污染物的降解。但是小分子酞菁难回收,易造成二次污染,将其负载到载体上可解决此问题。碳纤维(CF)有优异的化学稳定性和导电性,可作为酶和催化剂的载体,并且可以促进污染物从溶液中向电极表面移动,因此我们考虑将酞菁负载到CF上制备电极。通过脱氨基法将CoTAPc和FePc(NO23NH2分别负载到CF上,制备催化电极。负载后催化剂的稳定性提高,对有机污染物有较高的催化活性。分别探讨电压、pH、电解质浓度等因素对两电极催化性能的影响,结果表明,升高电压会稍微提高两电极对污染物的降解率,电压过高会使铁酞菁氧化,降低催化效率,从而选择2.5 V为最适电压;两电极在较宽pH范围内均表现较好的电催化活性;随着电解质浓度的升高,污染物的去除率升高,但在一定浓度范围内,电解质的增加对污染物去除效果影响不显著,从而选择0.1 mol/L为最佳浓度。重复实验表明两电极循环使用多次后,仍有较好的电催化活性;对不同结构有机污染物的降解发现两电极对它们均有较好的催化能力。两电催化体系均不受高浓度异丙醇的影响,通过EPR测试表明两体系均为非·OH反应机理,进而推测可能的机理是高价金属活性种。采用UPLC-HDMS对FePc(NO23-CF电极催化降解CBZ的中间产物和最终产物进行分析,得出CBZ的降解历程。
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