改性Pt基催化材料制备及其对氨氮的电催化氧化性能研究

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近年来,氨氮废水的过量排放对环境和人类造成了较大危害,因此研发此类废水的高效处理方法成为了环境领域的热点之一。其中电催化氧化法由于反应条件温和、操作简便和易于控制等优点成为国内外研究热点。催化电极材料的研究既是电催化氧化技术发展的重点也是研究难点。其中Pt被认为是目前最优良的氨氮电催化材料,但是Pt基催化材料高昂的价格和易中毒等缺点在一定程度上限制了其在废水处理领域中的大规模应用。因此,开发具有高催化活性和抗中毒能力的Pt基氨氮电催化材料对于促进氨氮电氧化技术的发展和广泛应用具有十分重要的意义。  本论文旨在采用一种制备工艺简单,条件温和的电化学方法,通过引入稀土金属氧化物二氧化铈(CeO2),以玻碳电极(GCE)为基底,Pt为活性组分,制备改性Pt基催化电极材料Pt-CeO2;利用物理和化学表征手段(SEM和ICP)对玻碳电极表面催化材料的微观结构和化学组成进行分析,研究改性CeO2的引入对Pt的沉积形态和粒径的影响;根据催化电极对氨氮的氧化峰电流强度为反馈,优化和确定改性催化材料的制备条件;结合电化学表征手段(CV,I-t)研究改性材料CeO2的引入对Pt基电催化材料催化活性、耐久性和抗中毒能力的影响;并在此基础上简单探讨了Pt-CeO2/GCE在不同条件下对氨氮的去除率性能。本论文的主要研究内容和结论包括以下几个部分:  (1)采用电化学循环伏安法将Pt和CeO2共同沉积在玻碳电极表面,制备改性Pt基电催化材料,即Pt-CeO2/GCE,其在氨氮溶液中的循环伏安曲线表明此催化电极对氨氮具有较好的电催化活性。并以氨氮氧化峰电流强度为反馈,通过改变前驱溶液的配比和循环伏安扫描圈数等参数,优化确定了本论文电极材料的制备条件。  (2)利用物理和化学表征对电极材料的微观结构和化学组成进行分析,SEM分析结果表明,CeO2的引入改变了Pt的微观形貌,由原来大小不一、分布不均的球状变为分散均匀、尺寸较小的片状结构;通过ICP分析了电极表面Pt与CeO2的载量,为材料的电催化活性分析提供数据依据。  (3) Pt基催化电极材料在硫酸体系中的电化学表征发现,利用CeO2改性后的Pt基催化剂的电化学活性面积得到提高,且反应50圈前后的电化学活性面积的钝化比明显减小;Pt-CeO2/GCE在碱体系氨氮溶液中的电化学表征发现,CeO2的引入提高了材料的催化活性、长时间稳定性和抗中毒性。Pt与CeO2之间的协同作用,提高了材料的电催化性能和抗中毒能力;Pt-CeO2/GCE对氨氮的氧化峰电流与扫描速率的平方根成正比,氧化峰电位与扫描速率的对数值成正比,说明电极表面的反应为扩散控制过程,且反应不可逆。  (4)分析在不同电压及不同浓度的条件下Pt-CeO2/GCE对氨氮的去除率性能,结果表明-0.4 V时达到最佳去除效果,为32%,折合单位质量Pt可催化氨氮的量为330g-NH3/g-Pt;催化电极在不同碱浓度的氨氮溶液中的循环伏安曲线以及对氨氮的去除率结果表明:OH-与氨氮在Pt上存在竞争吸附,当碱浓度为1.0 mol L-1时氨氮的去除率最佳;对不同浓度的氨氮的去除实验结果表明,Pt-CeO2/GCE对低浓度的氨氮的去除率较高,20 mg L-1时,去除率达95.91%,催化剂中单位质量Pt对NH3的催化去除量随氨氮浓度的升高而增大。氨氮去除实验过程中,硝酸根产率均低于万分之五,未检出亚硝酸根。  综上所述,采用电化学方法,将改性材料CeO2与活性组分Pt共同沉积在玻碳电极表面,可制备出高催化活性,耐久性和抗中毒能力的新型Pt基催化电极材料。通过本论文的研究可为制备低成本、高抗中毒能力的贵金属氨氮电催化氧化电极材料提供新思路和新方法。
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