基于N-掺杂碳包覆Fe3N复合材料的高效异相电芬顿降解有机物

水污染导致的缺水危机、水质恶化和生态环境破坏等问题,严重影响人的健康及社会的和谐可持续发展.异相电芬顿技术因催化剂可循环利用、宽pH适用范围等优点而广受关注.常见的催化剂以铁、铁氧化物等铁基材料为主,存在金属颗粒分布不均匀、铁元素易溶出、铁循环易受阻和H₂O₂选择性和转化效率低等问题,严重制约该技术的发展.尽管可以通过变价金属和非金属掺杂提高H₂O₂转化效率和选择性等,但铁基催化剂的异相电芬顿性能仍有待提升.因此,亟待开发一种具有合金性质且宽pH响应的高H₂O₂选择性及转化效率、高稳定性的铁基催化剂.本文利用具有高分散的金属位点和丰富碳源的铁基金属有机骨架材料,采用同步高温煅烧和氨气刻蚀等手段,制备N-掺杂碳包覆Fe₃N复合材料(Fe₃N@NG/NC),并探究了该材料在异相电芬顿降解有机污染物体系中的应用前景.XRD,SEM和TEM测试结果表明,Fe₃N@NG/NC催化剂是由N-掺杂的石墨化碳包覆的Fe₃N纳米颗粒(大小约为70 nm)均匀分散在N-掺杂碳骨架材料中组成的,这一特殊结构有利于电荷的快速传输,有助于电催化氧还原产H₂O₂及其转化至·OH反应的发生.电化学测试结果表明,该催化剂具有良好的两电子氧还原性能,在电压范围为–0.3~0.1 V内的H₂O₂选择性为82.2%~74.5%,电子转移数为2.35~2.50.电子顺磁共振光谱结果表明,该催化剂在异相电芬顿体系中主要的活性物质为·OH.XPS结果表明,该催化剂中高含量的石墨N和吡啶N、Fe(Ⅱ)有利于电催化合成H₂O₂和活化H₂O₂至·OH,使其具有高效的异相电芬顿性能.异相电芬顿降解评估结果表明,该催化剂在pH 5.0体系中120 min内能高效去除罗丹明(RhB)、邻苯二甲酸二甲酯、亚甲基蓝和橙黄Ⅱ等多种有机污染物(有机物去除率为97%~100%,TOC去除率为49%~65%),不同RhB降解体对其去除率贡献程度依次为异相电芬顿>电催化>电生成H₂O₂氧化>O2氧化>吸附;能实现宽pH范围内RhB的高效去除(在pH为3.0,5.0,7.0和9.0条件下,在60 min内的RhB去除率分别为100%,96%,92%和81%);在宽pH范围内呈现出高稳定性,铁溶出量为0~0.03 mg/L;经过6次循环使用后,仍具有高的异相电芬顿性能(去除率达90%以上).综上所述,Fe₃N@NG/NC复合材料能作为良好的异相电芬顿催化剂,应用于污水处理领域.     

溶剂热助乙二醇还原法制备Pt/C催化剂过程中酸碱配位机制及工艺参数优化

质子交换膜燃料电池(PEMFCs)能量转换率高,反应产物仅为H2O、不造成污染,是一种极具发展前景的能源转换装置.然而, PEMFCs的阴极氧还原反应(ORR)动力学缓慢、过电位高.由于Pt对ORR中间产物脱吸附能适中,因此, Pt/C成为电催化ORR的商业化催化剂,对其制备技术的研究成为该领域的研究热点.乙二醇(EG)还原法制备碳载Pt基催化剂是一种常见方法, EG作为还原剂的同时,还起到保护剂和分散剂的作用,使制备的催化剂具有均一性.EG在外界能量的活化下,分解生成H2O和CH3CHO, CH3CHO作为还原剂将H2Pt Cl6还原生成Pt单质颗粒,同时生成的CH3COO-由于静电排斥可以防止Pt粒子团聚.常见的外界能量的活化方法有脉冲微波法、回流法、溶剂热法等,其中溶剂热法采用高压釜作为反应容器,抗干扰能力强,工艺操作简单、反应快速、耗能较少、成本低廉,极易于实现工业化生产;值得注意的是,无论使用何种方法对Pt前驱体混合液给予活化能使其发生还原,其碱的含量都会对最终所得催化剂的电催化ORR活性有着显著的影响,因此,通过跟踪前驱体混合液中含Pt物种的变化路径,揭示催化剂制备过程中的碱调控机理,实现加入碱的定量化,对于大规模制备高效Pt/C催化剂具有重要的意义.因此,本文采用溶剂热助EG还原法合成Pt/C催化剂的技术,创新联用UV-vis和H+浓度探针技术,揭示了前驱体混合液中含Pt物种的配位过程,实现了加入碱的定量化.发现当m(Na OH):m(Pt)达到2:1时, Pt配位完成;进而通过优化反应温度、反应时间等参数,成功制备了高效Pt/C催化剂:当反应温度为140 oC,反应时间为2 h时,所得催化剂在酸性条件下,相对于商业化Pt/C具有更高的电催化ORR活性,其起始ORR还原电位达到0.95 V(商业化Pt/C为0.90 V),半波电位为0.82 V(商业化Pt/C为0.75 V),该工作对于工业化大批量生产高效Pt/C催化剂具有重要的意义.