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近年来,废水中的硝酸盐(NO3-)浓度不断增加。高浓度的NO3-会威胁动物和人类的健康,因此急需要解决NO3-的污染问题。电催化反硝化技术因为具有效率高、管理便捷、不产生二次污染等优势为该问题的解决提供了新思路,因而受到研究人员的广泛关注。但是电催化反硝化技术仍然存在选择性差、能耗大等问题。为解决以上问题,本文在前人研究的基础上,探索了铜合金以及纳米铜电极在电化学反硝化过程中的作用,优化电催化反硝化技术的操作条件,从而降低反应的能耗。探究了电催化反硝化过程中NO3-的电子转移过程从而解析电催化反硝化的机理。本研究首先选用常用的、工程应用中易获得的铜合金材料铜(Cu)、铜/镍/锌(Cu:Ni:Zn=60:15:25 wt%)、铜/锌(Cu:Zn=62:38 wt%)作为电催化反硝化的阴极材料,探究其电催化反硝化性能。实验结果表明,与纯铜相比,铜合金作为电催化反硝化的阴极材料具有更高的电催化反硝化效率。本实验构型中的电催化反硝化过程是一个不可逆的扩散的过程,NO3-的电子传递路径是先还原成亚硝酸盐(NO2-),接着NO2-被进一步还原成氨(NH4+)。正交实验结果表明四个反应条件对电催化反硝化的影响大小为:硝酸盐氮(NO3--N)初始浓度>电流密度>电解质浓度>溶液初始pH值。Cu/Zn和Cu/Ni/Zn合金的最优反应条件为:电流密度为8 mA/cm2,2.0 g/L氯化钠(NaCl),初始pH为3.0,NO3--N的初始浓度为100 mg/L。在最优条件下,Cu/Zn和Cu/Ni/Zn合金作为阴极时,每转化单位质量的NO3--N消耗的能量分别为145.1和153.0 kWhkg-1。因此,在实际电催化反硝化的工程应用中,铜合金是电催化反硝化电极材料的更佳选择。此外,本研究还采用简单的电化学方法在石墨板(Graphite plate,GP)的表面原位生成还原氧化石墨烯(graphene oxide,GO)和铜纳米颗粒(Cunanoparticles,Cu NPs),并且对制备的纳米铜/石墨烯原位修饰复合碳(Cu/rGO/GP)电极的电催化反硝化性能进行分析。实验结果表明,Cu/rGO/GP电极反应3 h后NO3--N去除率为96.86%。Cu/rGO/GP电极的动力学速率常数分别是GP,GO/GP和Cu/GP电极的14.08,8.00和1.94倍。Cu/rGO/GP电极的界面转移电阻、表面吸附能和电化学活性面积均优于其他电极,因而它的电催化反硝化性能得以提高。该复合电极在电催化反应过程中具有很高的稳定性。制备的电极材料利用循环伏安扫描50圈后得到的伏安特性曲线仍然与第一圈很相似。施加-1.4 V的电压,每次反应3 h,反应8次后的去除率仍然能够达到92.4%。最后研究了该反应器内的电催化反硝化的电子传递路径和反应机理。综上所述,纳米铜/石墨烯原位修饰复合碳电极制备成本低催化效果好,因而在电催化反硝化反应中有着广阔的应用前景。