论文部分内容阅读
本文对两种碳电极——活性炭纤维(Activated Carbon Fibers，ACF)和掺硼金刚石电极(Boron Doped Diamond，BDD)进行光催化剂表面修饰，分别制备出TiO2/ACF和TiO2/BDD两种新型光电极，对两种光电极的光电催化活性进行了评价，分析了各自的光电协同作用机理。此外，还研究了BDD电极的电催化氧化过程。
采用化学液相沉积法将TiO2负载在活性炭纤维表面制备出TiO2/ACF光电极，以偶氮染料酸性橙Ⅱ为目标污染物考察TiO2/ACF的电助光催化氧化活性。制备出的TiO2/ACF仍然保持了未负载的ACF的三维结构。在该光电极上施加0.5 V偏压可有效抑制光生电子-空穴复合，显著提高酸性橙Ⅱ的光催化降解效率。与传统二维TiO2/Ti光电极相比，利用TiO2/ACF三维光电极降解酸性橙Ⅱ，优势明显。TiO2/ACF光电极呈三维空间结构，具有更大的外表面积且ACF基体对有机物有良好的吸附性能，可有效提高有机污染物和TiO2光催化剂表面的碰撞几率，进而提高电助光催化氧化的反应活性。
在研究了以光催化为主导的电助光催化氧化反应基础上，选用具有高电催化活性的掺硼金刚石电极作为基材，采用溶胶-凝胶法在掺硼金刚石电极表面选择性地沉积TiO2修饰薄膜，制备出TiO2/BDD杂化光电极，并选择邻苯二甲酸二甲酯(DMP)为目标污染物，考察TiO2/BDD的以电催化为主导的光助电催化活性。在模拟太阳光的辐射下，TiO2/BDD能产生显著的光电流。该电极的交流阻抗(EIS)结果显示在模拟太阳光辐射的同时施加2.5 V偏压Nyquist曲线的圆弧半径最小，表明光电催化氧化可高效进行。光助电催化氧化、电催化氧化和光催化氧化过程中DMP的降解均符合准一级反应动力学，光助电催化氧化的反应速率常数k比单独光催化氧化和电催化氧化的速率常数k之和更大，电催化过程和光催化过程的耦合产生了明显的协同作用。
此外，分别在相对较高和较低的电能能耗下，考察了采用BDD的电极过程对DMP的电催化降解，对利用BDD电极在NaCl和Na2SO4两种电解质中DMP的降解行为进行了重点研究。选用恒流方式考察了DMP电催化矿化的主要影响因素，结果表明2.0-10.0的pH值范围内DMP的矿化速率基本相当，电流密度增加会使相同比电量消耗下的矿化效率减小，增大初始浓度可提高DMP矿化速率，电催化氧化过程中矿化电流效率随着电流密度的降低和目标物初始浓度的增大而升高，说明现有条件下的矿化反应受到或至少部分受到有机污染物传质的限制。利用GC-MS鉴定中间产物，提出了DMP矿化反应的大致历程。选用恒压方式考察在NaCl和Na2SO4两种电解质中DMP的电催化降解行为，结果表明：当BDD电极表面电氧化产生的羟基自由基的浓度相对较低时(如2.5 V)，由NaCl电解质所产生的活性氯能够促进DMP降解，降解速率比Na2SO4电解质中更快；当羟基自由基产生的浓度相对较高时(如4.0 V)，DMP在以Na2SO4为电解质的水溶液中可完全矿化，而在以NaCl为电解质时，相同条件下产生的活性氯在DMP矿化过程中表现出了其氧化能力的局限性。采用BDD电极并以NaCl为电解质时，DMP的电催化降解和矿化效率均随pH变化而变化，源于电极表面羟基自由基和活性氯的生成效率以及溶液中活性氯的存在形式均受pH值影响。对中间产物的分析发现DMP在NaCl和Na2SO4两种电解质中遵循不同的降解途径。