Ti/IrO2阳极在氯酚水溶液中的电化学行为与失活

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随着石油化工、医药、农药和燃料工业的迅速发展,工业废水中难以降解有机化合物的数量与种类与日俱增。特别是含有高浓度的芳香族化合物,如酚类,属“三致”物质,毒性很大,用一般生物降解方法难以直接去除。而电化学氧化去除有机物技术,因具有几乎不消耗化学试剂、二次污染少等特点,已逐渐成为预处理或彻底降解有机污染物的重要方法之一。但是,大量的研究表明在众多的电极体系中,无论是氧化物电极(Ti/IrO2、Ti/PbO2)还是现在正被大量研究的掺硼金刚石电极,当应用于上述有机物体系中时都会受到有机物聚合膜覆盖的影响。尽管如此,对有机物在电极上的电化学行为,以及电极的抗钝化失活能力的研究还是少之又少。所以根据目前普遍存在的问题,本论文以传统的Ti/IrO2电极为基本测试电极、对氯酚为研究对象,着重介绍氯酚在电极上的电化学行为和对电极的钝化的程度。在此基础之上,我们还通过改变不同的工艺对电极进行改性,并且研究了不同工艺制备的电极在氯酚溶液中的电化学性能和耐用性。论文首先研究了氯酚在Ti/IrO2电极上的电化学行为,将氯酚在电极上的氧化分为可溶性电化学氧化和成膜电化学氧化,并建立起一套行之有效的电化学测试方法来研究有机膜对电极钝化的程度。接下来研究了烧结温度对Ti/IrO2电极电化学性能的影响,发现在空白溶液中和在有机溶液中,电极的电化学活性随着烧结温度的升高而降低。烧结温度对电化学活性影响通常是由于温度升高氧化物的结晶度升高,晶粒长大和团聚,电极表面活性点减少而引起的。其次研究了不同温度制度制备对电极在酸性溶液和氯酚溶液中的电化学性能的影响。结果表明,烧结温度制度的不同很大程度上影响Ti/IrO2电极的电催化活性。综合多种影响因素分析得出,在酸性溶液中,200-500℃间程序升温、300-500℃间程序升温等工艺所得电极具有较高的表观析氧电催化活性,而传统的500℃单一温度烧结与200℃3层/500℃7层、300℃3层/500℃7层工艺的电化学性能较差;并且不同的体系对电极的活性也有不同的影响,在氯酚溶液中所有电极的活性都要高于其在空白溶液中的活性,但是不同温度制度制备的电极其电化学活性下降的程度不同。实验结果表明采用程序升温工艺烧结得到的电极在氯酚溶液中表现出最好的电化学活性,并且用于成膜的电流效率最低。再次,我们研究了复合二元电极在空白溶液和氯酚溶液中的电化学性能和不同组分的电极对有机物的催化氧化能力。SEM结果显示硅的加入在很大程度上提高了电极的活性面积,并且硅的加入有利于IrO2晶粒细化,从而提高了电极对有机物的氧化能力。但是并非硅的含量越多越好,当其超过66%时电极的各方面的性能反而下降,这可能由于硅自身的惰性引起的,一方面硅的存在对IrO2起屏蔽作用,另一方面硅的加入使涂层氧化物的电导率下降。最后,在研究了所有改性电极在空白溶液和氯酚溶液中的电化学性能的基础上,我们考察了所有电极在空白溶液、甲醇水溶液、氯酚水溶液中的耐用性和失效机制。结果表明甲醇的存在缩短了电极的寿命,而氯酚的存在更是加快了电极的失活速度。而对针对电极进行的制备工艺上的改进在一定程度上提高了电极的耐用性。第一,烧结温度对电极耐用性的影响。无论在有机溶液还是空白溶液中,电极的寿命都是随着烧结温度的升高先上升后下降,450℃的电极耐用性最好,但是电极的使用寿命在有机溶液中降低的程度远小于在空白溶液中降低的程度,并且烧结温度越高,这种降低程度就越不明显;第二,温度制度对电极耐用性的影响。发现500℃单一温度烧结与200℃3层/500℃7层、300℃3层/500℃7层工艺的耐用性能较差,而采用程序升温制备的电极在有机溶液中的使用寿命最长;第三,掺杂改性对电极使用寿命的影响。在空白溶液中,硅的加入对电极的耐用性影响不明显,但是在有机溶液中,适量硅的加入增加了电极的使用寿命,但是硅的量超出50%时电极的耐用性反而又下降。
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