基于Pd基三元纳米材料的4-氯苯酚电催化脱氯机理研究

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有机氯化物,特别是氯苯酚类化合物(Chlorinated Phenols,CPs)被广泛应用于工农业生产中,已成为水和土壤环境中的主要污染物之一。由于氯原子(Cl)的存在,微量的CPs具有较高的致癌性、致突变性和毒性。同时,稳定的碳氯键(C-Cl)能抑制苯环裂解酶的活性,因此CPs在生态系统中具有很强的降解抗性。鉴于CPs的诸多危害,人们已经开发出许多高效的技术用于去除环境中的CPs污染物。与常见的处理技术相比,电催化还原脱氯技术的电极材料损耗较少,无需投加化学试剂,仅使用电子作为绿色还原剂,并且不会产生二次污染,因此具有显著优势。欲实现水中CPs的高效电催化还原脱氯过程,合成具有高脱氯活性的电催化剂是该领域的研究重点与热点。本研究制备了掺磷钯镍三元复合纳米颗粒(Pd/Ni P)与原子空位修饰的钯铜银三金属缺陷合金(v-Pd Cu Ag)两种Pd基三元催化剂,通过透射电子显微镜(TEM)、场发射扫描电子显微镜(SEM)及X射线衍射仪(XRD)等表征技术分别对复合材料的形貌、价态等物化性质进行分析,并以水中的4-氯苯酚(4-CP)为目标污染物,探讨了其对水相中4-CP电催化还原脱氯的催化活性与脱氯机理,主要研究内容及相关结论如下:(1)通过在水中共还原合成了含磷掺杂的Pd/Ni P三元纳米材料,其SEM、TEM以及X射线光电子能谱(XPS)图等结果显示,合成的Pd/Ni P材料为直径4.4±1.0 nm的超细纳米颗粒。循环伏安结果显示该材料具有优异的电化学性能,Pd/Ni P纳米颗粒中Pd的电化学活性比表面积(ECSA)为42.11 m~2/g,是商业Pd/C纳米颗粒的1.5倍;Pd/Ni P材料对4-CP显示出优异的电催化脱氯活性,掺杂Ni和P原子引起的协同效应和压缩应变显著增强了Pd生成与储存原子氢(H*)的能力,同时有效抑制了氢气析出反应(HER),进而提升了电催化还原脱氯效率。电解实验结果显示,1.02 mg该材料对2 mmol/L 4-CP的脱氯效率在360 min内可达到87.5%,表观速率常数(Kap)为0.0057/min,展现了极强的催化脱氯活性。(2)使用N,N-二甲基甲酰胺(DMF)作为溶剂和金属分散剂,加入抗坏血酸(C6H8O6)作为还原剂和蚀刻剂,构建了具有丰富原子空位缺陷的合金v-Pd Cu Ag纳米颗粒。TEM、XPS以及像差校正后的高分辨率TEM(AC-HRTEM)等表征结果表明成功合成了平均粒径为4.1±0.8 nm的v-Pd Cu Ag三金属纳米催化剂。该催化剂中Pd的ECSA为45.88m~2/g,这比无原子空位缺陷的Pd Cu Ag纳米颗粒高1.81倍。1.02 mg该材料对2 mmol/L4-CP的脱氯效率在300 min内可达到94.2%。相对于目前已报道的同类电催化剂,其在Kap(0.0097/min)与质量活性(12.11/min/(g Pd))方面表现出最好的脱氯性能。v-Pd Cu Ag纳米颗粒表面的原子空位在很大程度上可以促进催化剂表面的电子转移,提高H*物种的生成以及储存能力,同时促进与C-Cl键断裂相关的离解电子转移(DET),从而大大提升了电催化脱氯性能。(3)在水相4-CP的电催化还原脱氯过程中,具有优异催化活性的Pd/Ni P纳米颗粒与v-Pd Cu Ag纳米颗粒均实现了直接电化学还原途径和间接电催化加氢脱氯还原途径。循环伏安实验结果一致表明,两种Pd基三元复合纳米颗粒具有优异的生成及储存H*能力,吸附型原子氢(H*ads)、吸收型原子氢(H*abs)以及氢气分子(H2)等三种氢物种在一定范围内均有助于间接电催化加氢脱氯过程。此外,对于直接电化学还原途径,Pd/Ni P纳米颗粒与v-Pd Cu Ag纳米颗粒的电子转移系数k值均远小于0.5,表明这两种材料对水中4-CP的电催化还原脱氯反应的直接电子转移过程遵循同步的DET机理,速控步骤为电子转移过程。与此同时,两者催化的直接电化学还原过程均同时受到电子转移与物质转移的联合控制,而4-CP从溶液到电极表面的扩散控制起着主导作用。本工作为掺磷三元复合纳米颗粒的合成以及具有丰富原子尺度空位纳米催化剂的控制合成提供了两种简便策略,为水中CPs的电催化脱氯过程提供了两种良好的催化材料,也为该过程的脱氯机理研究提供了重要参考,并为制造用于有机合成、环境修复、催化机制研究等方向的新型电催化剂提供了有益借鉴。
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