掺杂二氧化钛电催化氧还原制过氧化氢的研究

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过氧化氢(H2O2)作为一种绿色强氧化剂被广泛应用于废水处理、造纸、化学合成等行业。工业上H2O2生产仍然广泛使用着昂贵的蒽醌工艺,存在极大的运输风险和严重的三废问题。二电子氧还原反应(2e-ORR)提供了一种安全、可持续、节能的H2O2按需生产方式,但ORR一般倾向于4e-还原生成水。这对催化剂遵循2e-途径提出了严峻挑战,亟需设计出低成本、高活性、高选择性的催化剂。二氧化钛(Ti O2)具有成本低、无毒、稳定性好等优点,然而导电性低、活化能力弱,阻碍了其催化活性。杂原子掺杂可以在Ti O2晶格中引入氧空位的同时生成Ti3+,是提高Ti O2催化氧还原生成H2O2选择性和活性的有效策略。本文研究了非金属元素N和过渡金属元素Cu掺杂Ti O2用于催化氧阴极还原制备H2O2。通过水热法合成了Ti O2纳米管,并用固体分散法合成了氮掺杂二氧化钛(N-Ti O2)纳米管。采用XRD、TEM、EDX和XPS等表征手段对N-Ti O2的形貌、晶体结构、元素价态等进行研究。掺杂后的N-Ti O2很好地保持了之前的纳米管结构,同时N掺杂占有更多的氧位点,导致氧空位的形成,使N-Ti O2具有良好的2e-ORR催化活性。电化学测试结果显示,在0.1 M KOH电解液中,最高能实现92.2%的H2O2选择性。此外,在0.10 V时,生成H2O2的速率最快,为36.1 mg L-1 h-1,法拉第效率高达86%。同时,N-Ti O2纳米管具有良好的耐久性和稳定性。进一步探究过渡金属元素掺杂对于Ti O2催化2e-ORR的各项性能的影响,利用水热法,通过增加金属盐作原料合成了铜掺杂Ti O2(Cu-Ti O2)纳米颗粒。采用XRD、TEM、EDX、XPS和EPR等表征手段对Cu-Ti O2的形貌、晶体结构、元素价态和氧空位等进行研究。掺杂前后,材料的形貌无明显变化。Cu的掺杂导致Ti O2晶格畸变,在晶格中引入丰富的氧空位,电子局部还原Ti4+形成Ti3+,使得Cu-Ti O2较Ti O2拥有更高的电导率和催化活性。碱性环境下,Cu-Ti O2有更正的起始电位0.79 V,2e-ORR动力学和选择性明显增强,最高能实现91.2%的H2O2选择性。此外,Cu-Ti O2在0.1 V电位下,实现很高的H2O2产率,达到52.5 mg L-1 h-1,法拉第效率高达96%,优于许多已报道的催化剂。同时,Cu-Ti O2也表现出很好的电化学稳定性。DFT理论计算证实了Cu掺杂不仅提高了电导率,而且降低了活性位点的*OOH吸附能。Cu-Ti O2的活性位点Ti3+4c-5c的协同作用拥有很高的2e-ORR活性。
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