碱性条件下自掺杂钨酸铋(Bi2.15WO6)对O-O键活化过程的研究

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Bi2+xWO6(x=0-2.2)因其具有窄带隙及特殊结构常作为光催化剂被广泛应用于处理各种污染物。然而,碱性条件下在Bi2+xWO6对O-O键活化的研究还鲜有报道。本文以Bi2.15WO6为研究对象,研究碱性条件下Bi2.15WO6活化过硫酸盐(PS)氧化双酚A(BPA)的机制并研究电催化过程中Bi2.15WO6在碱性条件活化溶解氧产生H2O2的机制。本研究以BPA为底物,探究了在碱性和无光条件下,Bi2.15WO6活化PS催化氧化BPA的影响。结果表明,在p H为10.0时,20 mg L-1的BPA可在60 min内完全去除,消耗的PS与BPA的化学比仅为1.79。总TOC结果表明,溶液中98.4%的BPA被氧化聚合为BPA聚合物。FTIR、Raman、XPS和电化学分析证实,Bi(III)表面是BPA和PS吸附的活性位点,进而引发BPA和PS之间的反应。DFT计算表明,PS中的O-O键吸附在Bi(III)后被激活由1.397延长至1.555(?),通过氢提取(HAT)反应使BPA形成苯氧自由基,进而聚合为BPA聚合物。吸附的BPA能垒(ΔG=0.056 e V)明显低于溶解的BPA能垒(ΔG=0.263 e V),进一步表明吸附的BPA相比于溶液中的BPA更有利于发生HAT反应。为了进一步探究在碱性和无光条件下Bi2.15WO6活化溶解氧活性,本研究将Bi2.15WO6作为氧还原(ORR)反应的阴极材料,并利用葡萄糖促进H2O2的产生。研究结果表明,Bi2.15WO6电极在2.4 V时,碱性条件下随着p H的增加产生的H2O2增加。随着葡萄糖的加入,H2O2的产量大幅提升至原先的4.5倍(716.8μM)。通过加入不同的糖类和酚类作为氢供体后,发现葡萄糖的效果最佳。掩蔽实验、UV全扫和电化学测试表明,在电催化Bi2.15WO6产生H2O2的过程中,溶解氧是主要的氧源。通电后O-O在Bi2.15WO6表面活化形成O2·-,进而转化为*OOH。葡萄糖在过程中起关键作用,当体系中不存在葡萄糖时,*OOH会继续得到电子向四电子反应转变,仅有部分*OOH转化为H2O2;而葡萄糖存在时,其作为良好的氢供体使*OOH迅速转化为H2O2并从电极表面解吸至溶液中。本研究为无光条件下Bi2.15WO6的催化提供了新思路。
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