电驱动纳米催化技术应用于环境中有机卤化物高效脱卤研究

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氯代污染物在环境中广泛存在,是一种毒性大,难降解的有机污染物,因此近些年来研究者们致力于设计新的催化体系,希望可以达到高效去除氯代环境污染物的目的,这一研究对水体中有机氯代污染物的处理具有重大意义。近些年来,电催化还原脱氯加氢技术逐渐成为解决现阶段日益严重的水体污染的一种有效方法。通过在传统的二维电极体系中添加纳米颗粒构建三维体系,可有望解决其固有的低传质速率、低活性物种产生/利用率,以及电流效率低、能耗较高等缺陷,从而显著提升电化学体系的催化性能。根据污染物的理化性质,选择相应合适的纳米催化剂可以有效地提高目标污染物的去除效果,钯催化剂由于其优异的脱氯性能,被广泛应用于脱氯加氢领域中。对于结合了电化学还原和纳米催化优点的耦合方法,该方法理论上可以克服它们各自的缺点,并最终有助于提高脱氯活性和效率。但是,相关研究鲜有报道,潜在的脱卤机理尚未得到充分解决。因此,本研究旨在解决这一知识鸿沟。我们结合了电化学技术和纳米技术的双重优势,提出了一种新颖并且通用的电化学驱动纳米颗粒催化方法,来进行氯代环境污染物的高效脱卤。研究选取四氧化三铁载钯为模型纳米颗粒,4-氯苯酚(4-CP)为目标污染物。结果显示,通过实施该技术,可以在120分钟内以100%的脱氯效率快速实现连续流去除水体中的对氯苯酚。而且另一方面研究发现对氯苯酚的脱氯产物苯酚可以进一步进行深度加氢反应,从而完全转化为环己酮与环己醇的混合物(KA oil),KA oil为尼龙前体,广泛应用于工业生产。KA oil的产生展示了该催化体系卓越的催化能力,明显由于以往报道的催化脱氯加氢方法。研究揭示,活化机制的本质是由于电场驱动纳米颗粒促使氢气在催化剂表面活化产生活性物种(如原子氢),以及加速了颗粒表面的直接电子转移过程,从而有效促进了污染物的快速转化去除。通过开展循环伏安法和原子氢猝灭实验研究,研究首次在伏安图形中揭示了有机氯污染物的直接、间接电催化脱氯路径,为脱卤过程中这两种机制的并存提供了新的证据。更重要的是,纳米催化剂在五次脱氯循环后,目标污染物仍能够达到完全去除,即去除率为100%,同时还伴随着高达90%的4-CP脱氯效率,这一结果证实了本研究选择的四氧化三铁负载钯纳米颗粒的优秀脱氯性能以及出色的稳定性,可以大大提高催化剂的利用率。需要指出的是,本研究的开展为连续流电化学驱动纳米颗粒催化去除水中有机氯污染物技术的发展及实际受污染水体的修复提供了重要参考。同时,本研究提出的有机氯化物脱氯新方法具有诸多优点,如准均相催化体系,氢气来源可靠、安全(原位电解水产生),p H适用范围广(从酸性到碱性),污染物去除速率快,脱氯能力强等。该研究为电化学驱动纳米颗粒催化促进有机氯污染物的脱卤提供了新见解,详细揭示了钯纳米催化剂在4-氯苯酚脱氯加氢反应中的去除机理,并且展示了催化剂优异的脱氯性能和稳定性,为水污染处理提供了一种新技术,同时也展示了电驱动纳米颗粒催化脱卤技术的广泛应用前景。
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