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阴极氧还原反应(ORR)分为2电子和4电子途径,反应路径与阴极材料的种类和结构密切相关。通过2电子ORR可由氧气或空气一步合成H202,主要用于阴极电Fenton高级氧化技术降解有机物,该技术因H2O2在线连续生成、氧化效率高、无二次污染等优点引起了广泛关注。合适的阴极材料是保证电Fenton氧化效率的关键。氮掺杂碳对ORR的催化作用已在很多研究中得到证明,因此各种掺氮碳材料被合成和表征,但大多合成步骤繁琐,不利于规模化生产。商品的聚丙烯腈基碳纤维(PAN-CF)由丙烯腈单体经纺丝、聚合、高温碳化等步骤制得,具有天然的掺氮结构,可能具有优良的ORR活性。因此本文首次选取PAN-CF作为阴极电Fenton过程的阴极材料,采用利于溶解氧传质的刷状电极,研究了其电生H202的性能及用于电Fenton体系中降解有机物的性能：通过电化学活化PAN-CF,获得了ORR活性显著提高的EMPAN-CF,对电化学活化引起的掺杂氮结构的改变与ORR活性的显著提高存在的关联进行了研究：最后评价了EMPAN-CF阴极电生H202性能、能耗以及在电Fenton体系中氧化有机物的性能。主要的研究内容和结论如下：1.以PAN-CF刷状电极(PAN-CFB)为阴极,研究了其在H2SO4、Na2SO4和NaOH溶液中的氧还原活性及电生H202性能,在3种介质中,H202生成电流效率均在90%以上,表明PAN-CF在酸性、中性、碱性条件下均以2电子氧还原反应为主；通过XPS分析确定了PAN-CF表面含氮结构的类型,并证实了PAN-CF的ORR性能与其掺氮结构有关；系统研究了阴极电位,电解质浓度、体积,电极间距对H202累积浓度的影响。2.研究了PAN-CFB阴极在外加亚铁盐的电Fenton体系中对亚甲基蓝(MB)的脱色、降解性能,及对苯酚的降解性能。系统研究了初始pH、Fe2+浓度、染料初始浓度对电Fenton体系脱色性能的影响。处理低浓度的MB (5mg L-1)时,初始pH对脱色率的影响不明显,pH=3-7的较宽范围内脱色率均接近100%,初始pH=5和7时,电解过程中溶液的酸化导致脱色效率与Fenton最佳pH(≈3)时接近：处理高浓度的MB溶液(100 mgL-1),当[Fe2+]=0.3 mmol L-1,初始pH=3时,色度完全去除仅需30 min,处理1 h后,CODcr去除率可达95.9%,电化学能耗为11.6 kWh kg-1 COD。处理100 mgL-1的苯酚,电解4 h,CODCr去除率为86.2%,苯酚降解平均电流效率为74.2%,电化学能耗为35.6 kWh kg-1 COD。3.研究了以牺牲铁阳极为Fe2+源的电Fenton过程对NaCl溶液中MB的脱色性能。PAN-CFB阴极电生H202性能与电解质种类无关,但H202累积浓度受阳极和电解质种类影响,差异很大,使用DSA阳极时,阳极析出活性氯与阴极生成的H202发生反应,导致H202累积浓度随NaCl溶液浓度的增加而降低；牺牲Fe阳极电Fenton过程处理MB溶液,初始pH=3时,电解30 min,对不同浓度(5-20 mg L-1) MB的脱色率均在98%以上；不调节溶液初始pH(约为7-8)时,对MB的脱色经历了·OH的氧化、氧化+絮凝、絮凝起主导作用的一系列过程,电解20min,脱色率均在80%以上,但电解后期,絮凝占据主导地位,几乎完全抑制了Fenton氧化作用,脱色率不再变化。4.通过循环恒电流脉冲对PAN-CF进行电化学改性,PAN-CF固有的吡啶氮被转化为位于三维的活化层中2-吡啶酮(或2-羟基吡啶),导致ORR活性和稳定性显著提高。吡啶酮上与N和O共连的C作为活性位倾向于催化2电子ORR过程,但是,吡啶酮络合Cu2+后,在电化学反应、Cu+与ORR中间物间的氧化还原协同作用下倾向于催化4电子ORR过程(碱性溶液)。在不同的介质中,吡啶酮-N或-O与质子的络合或解离,引起吡啶酮表面的电荷转移与重构,以及Cu2+的的配合位和络合强度的改变,导致ORR性能改变。5.将EMPAN-CFB为阴极用于电生H2O2及电Fenton过程,以甲基橙(MO)作为模拟污染物,比较了PAN-CFB阴极改性前后电生H2O2性能及能耗。EMPAN-CFB阴极性能稳定,电生H2O2最佳电位同PAN-CFB阴极相比正移了约500mV,导致H202生成能耗明显降低,最低能耗仅为5.02 kWh kg-1(0.5 mol L-1 Na2SO4, I=400 mA,电极间距1cm)。EMPAN-CF阴极电Fenton体系可实现MO的快速高效脱色,脱色过程符合准一级动力学。