用于水体中有机污染物电催化降解的非贵金属氧化物阳极的研究进展

电催化氧化降解有机污染物是一种行之有效的水处理方法,高性能阳极材料是实现其功效的关键。利用在钛基体上涂覆铅系、锡系、锰系等非贵金属氧化物可方便制备出涂层阳极,同时可借助多样化的表面涂覆与改性技术来开发稳定性与催化活性均优异的阳极,极具发展前景。从基材加工、中间层结构优化及表面改性角度综述了非贵金属氧化物阳极稳定性优化技术手段;并从表面增效、作用区域扩大角度对其催化活性提升方法进行归纳,述评了涂层阳极改性机制;最后指出了非贵金属氧化物涂层阳极发展中进一步努力的方向,以期推动电催化氧化阳极发展及其在水处理中的应用。     

电催化氧化处理难降解废水用电极材料的研究进展

随着石油化工、医药等工业的迅速发展,工业废水中难降解物质与日俱增,采用传统的水处理方法已难以达到环保要求。电催化氧化技术主要利用电极表面产生的活性物质羟基自由基进行氧化降解,具有氧化能力强、无需添加化学药剂、无二次污染的优势,而且电催化氧化工艺操作简单、处理条件温和,在处理难降解废水方面具有诸多优势。电催化氧化技术的核心部件是阳极,因此阳极材料的开发一直是研究人员关注的重点。一般要求阳极材料具有析氧电位高、电催化活性高、耐腐蚀、稳定性好、价格低廉等特点。目前常用的阳极材料有钛基金属氧化物阳极(SnO_2电极和PbO_2电极)和合成掺硼金刚石薄层电极,但是这些材料存在使用寿命短、制作成本高等问题。通过改性制备复合金属氧化物阳极可以改善上述问题,常用的改性方法包括掺杂离子、引入中间层、掺杂纳米颗粒、调控电极材料的微观形貌等。改性可以提高电极电催化性能、导电性及稳定性,增大电极的反应面积,延长电极寿命。因此复合金属氧化物阳极的制备是阳极材料研究的重点。在二维电极的基础上引入粒子电极可以构成三维电极系统。在三维电极系统中,粒子电极在电场作用下,会极化形成一个个微型电解槽,极大地增加了反应面积。因而三维电极相比于二维电极具有面体比大、电催化效率更高、能耗更低的优势,因此高催化活性、高稳定性的粒子电极的研制成为了电催化氧化技术领域新的研究方向。目前,常用的粒子电极材料主要有碳材料(活性炭、炭气凝胶等)、金属氧化物(Al_2O_3、Fe_3O_4等)、陶瓷和矿物类等。本文从电催化氧化的机理以及三维电极的工作原理出发,综述了在电催化氧化处理废水中广泛应用的电极材料,包括钛基金属氧化物阳极、合成掺硼金刚石薄层电极,重点介绍了在三维电极系统中使用的粒子电极。并对今后废水处理中电催化氧化电极材料的研究趋势进行了展望,指出提高电催化氧化效率不仅需改进电极材料,还需改善反应器构型及与其他工艺的耦合等,以实现电催化氧化技术的推广应用。     

二维共价有机框架材料光催化和 电催化研究进展EI北大核心

二维共价有机框架(2D COFs)具有高比表面积、孔隙可调、易于功能化和高度分散的催化活性位点等特点,有利于底物与催化活性位点接触,是理想异相催化剂,被广泛应用于光催化和电催化领域。本文从COFs结构和功能化设计策略出发,介绍2D COFs的合成方法,包括溶剂热合成法、离子热合成法、机械化学合成法、微波合成法、声化学合成法、室温合成法和界面合成法。详细介绍2D COFs催化剂在光催化和电催化领域的研究进展,包括析氢反应、析氧反应、氧还原反应、二氧化碳还原反应和光/电催化有机转化。最后,总结2D COFs在光催化和电催化领域面临的挑战,如有机配体成本高、难以工业化、使用牺牲剂等,并提出将光电有机合成与析氢反应或析氧反应的协同串联反应策略解决使用牺牲剂的问题。     

有机添加剂对三维多孔二氧化铅阳极性能的影响EI北大核心

以氧泡为模板,采用阳极氧化法制备系列三维多孔二氧化铅阳极材料,探究添加剂醋酸钠、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、十二烷基苯磺酸钠(SDBS)、聚乙二醇(PEG)对三维多孔PbO_(2)阳极材料的影响。利用SEM和XRD对电极表面的形貌结构和物相组成进行表征。采用阳极极化曲线(LSV)、循环伏安曲线(CV)、交流阻抗图谱(EIS),对电极材料的电催化活性进行测定。结果表明:添加剂加入后,能够促进Pb^(2+)均匀分散,当PbO_(2)沉积后包覆其表面,减少颗粒聚集,镀层更为平整致密;同时,由于有机添加剂的吸附作用,改变晶粒择优取向,但不改变晶型,制备的电极材料仍为β-PbO_(2),形貌完整,均具有三维多孔结构。添加了有机添加剂后,电极材料孔密度增大,提升电极材料比表面积,降低电催化过程中的电荷转移电阻,提高电极材料的电催化活性。其中,加入SDBS的多孔PbO_(2)电极具有最大的j0(5.514×10^(-5)A·cm^(-2))和最小的Rct(0.3395Ω·cm2),体现出良好的电催化性能。由CV数据可知,添加了SDBS的PbO_(2)电极qi^(*)为0.652 C·cm^(-2),是未加入添加剂的多孔PbO_(2)电极的4倍,有机添加剂的加入有效地增大了电极材料电化学活性表面积。     

铁氧体及其复合材料去除水体中有机污染物的研究进展

铁氧体及其复合材料由于各方面的优异性能,在多种领域已得到广泛应用。介绍了尖晶石型铁氧体、碳负载铁氧体复合材料以及其他铁氧体复合材料的研究进展,重点阐述了它们在降解有机污染物方面的进展;同时,对铁氧体去除水体中有机污染物的吸附机理、光催化氧化机理和非均相Fenton降解机理进行了举例说明。     

电化学法制备石墨烯的研究进展EI北大核心CSCD

石墨烯优异的导电、导热、光学和力学性能,使其成为制造新一代电子、光电装置材料的理想选择。因此,高质量、规模化、低成本的石墨烯制备技术研究开发尤为重要。电化学剥离石墨制备石墨烯是一种很有前途的湿化学方法,具有可扩展性、溶液加工性和环境友好性等优点。本文综述了电化学法制备石墨烯技术的研究进展,阐述了电化学法制备石墨烯的机制,重点分析了石墨阳极氧化和阴极剥离过程涉及因素变化对石墨烯的剥离效率及产率、形貌、质量和缺陷程度的影响,简要介绍了电化学法制备功能化石墨烯材料及其应用,并指出电化学法制备石墨烯技术的未来发展方向是电解质体系设计、电解条件优化、剥离机理认识及电解池合理设计等。     

酸性离子液体水溶液中壳聚糖的氧化降解EI北大核心CSCD

筛选出对壳聚糖溶解具有良好性能的磺酸型离子液体[MIMBS]HSO4,以该离子液体水溶液为反应介质,在均相体系中进行了壳聚糖的氧化降解反应。考察了离子液体用量、H2O2与壳聚糖单元摩尔比、反应温度和反应时间对该氧化降解反应的影响。利用黏度法测定壳聚糖的相对分子质量,采用X射线衍射和红外光谱对原料和再生壳聚糖的结构进行表征。X射线衍射分析结果表明,溶解过程中壳聚糖的晶体结构遭到破坏,结晶度下降。随着离子液体溶液浓度的增加、H2O2用量的增大、反应温度的升高以及反应时间的延长,氧化降解反应进行得更加彻底。在最佳反应条件(8%离子液体水溶液、底物摩尔比5、反应温度80℃、反应时间3 h)下,再生壳聚糖的收率为74%,其黏均相对分子质量为21.2×103。     

新型复合纳米材料用于光催化降解染料废水的研究进展EI北大核心CSCD

光催化技术是解决当今人类社会中环境问题和能源危机两大问题的有效途径,半导体材料在早期的研究中备受青睐。然而,单一半导体光催化剂存在可见光响应程度差、电子空穴对易复合等缺点,光催化技术在降解染料废水的应用中有效率较低,因此研究者对新型复合纳米材料作为光催化剂降解染料废水进行了深入的研究。本文介绍了石墨烯、金属有机骨架、碳量子点三种新型复合纳米材料用于光催化降解染料废水中污染物的研究进展和主要研究结果,按照复合纳米材料设计升级的思路,简述了部分新型复合纳米材料的制备方法,对目标污染物的降解率进行了分析。通过总结新型光催化材料降解水中污染物的性能,对未来发展趋势进行了展望,指出新型复合纳米材料在光催化方向今后的发展趋势和研究重点是有针对性的处理废水,并实现工业化。     

过渡金属氧化物非均相催化过硫酸氢盐(PMS)活化及氧化降解水中污染物的研究进展

近年来,水体中富集的难降解污染物导致了诸多环境问题,传统水处理工艺并不能对其进行有效处理。高级氧化技术是目前处理难降解污染物的最有效方法。过渡金属氧化物非均相催化过硫酸氢盐(PMS)活化生成硫酸根自由基(SO_4~-·)处理水体中难降解污染物是近些年新兴的高级氧化技术,与以生成羟基自由基(·OH)为基础的传统高级氧化技术相比,该技术具有对pH适应范围更宽、中性条件下氧化性更强、自由基半衰期更长的优势,同时也克服了均相催化体系中金属离子的二次污染、难以重复利用的问题,受到环境领域学者的广泛关注,为去除水体中抗生素、激素等难降解污染物提供了新的思路和方法。然而,由于活性点位的减少,相较于均相催化,非均相催化的催化效率更低,同时也存在催化稳定性差、难以回收等不足。针对上述问题,近几年除了探寻对PMS的活化具有催化活性的新型过渡金属氧化物外,研究者主要从催化材料的负载、改性以及复合三方面进行尝试,并取得了丰富的研究成果,在发挥非均相催化经济、环保优势的同时,大幅提高了催化剂的催化效率及可回收性,为其步入实际应用做出了巨大的贡献。在众多过渡金属元素中,钴、铁、锰的氧化物已被证明对PMS的活化具有催化活性并得到了广泛的研究。其中,由于钴离子对PMS表现出最强的活化能力,因此对钴系氧化物研究得最早。随后,铁及锰的氧化物因环境友好、廉价易得的优势逐渐成为钴氧化物的替代品。近五年的研究工作将纳米碳、介孔材料以及金属-有机框架等引入催化剂的制备合成中,对过渡金属氧化物进行负载和改性,加强了催化材料的电子传递速度和化学稳定性,为解决催化剂的催化效率低与催化稳定性差等问题提供了有效方法。此外,以两种过渡金属元素为催化核心的二元复合材料,在降低催化剂制作成本的同时,还可以实现催化剂效能和稳定性的双重提高。文章介绍了钴系氧化物、锰系氧化物、铁系氧化物等三种能够催化PMS活化的一元非均相催化剂的研究进展,并阐述了二元复合催化剂的研究现状,总结了现阶段研究的不足并对未来的发展方向做出了展望,以期为制备经济高效的过渡金属氧化物催化剂提供参考。     

金属有机框架材料对水体中有机污染物的吸附去除及氧化降解研究进展

随着水体环境中抗生素、内分泌干扰物及持久性有机物等大量新兴污染物的频繁检出,寻求高效、经济的污染物处理和治理技术迫在眉睫。金属有机框架(Metal organic frameworks, MOFs)材料是一类由金属离子或金属簇与有机配体结合的有机-无机杂化材料,具有孔隙率高、结构多样、孔径可调、配位点不饱和及功能可设计性强等特点,可广泛应用于有机污染物的吸附去除和氧化降解。本文综述了MOFs材料的合成方法及分类,阐述了其对水体中有机污染物的吸附和催化降解机理,探讨了温度、pH、MOFs浓度和离子强度等相关因素对MOFs材料去除污染物的影响,并对今后MOFs材料的研究方向进行了展望,以期为MOFs材料在环境污染修复领域的研究和应用提供理论基础。     

激光熔覆仿生非光滑表面磨粒磨损性能的研究EI北大核心CSCD

以鲨鱼盾鳞表面非光滑形态为模型,制备了由镍基合金粉末熔覆层和45钢基体构成的起伏型、平面型仿生非光滑试样,并进行磨粒磨损实验和磨痕观察,分析磨损机理。结果表明:平面型涂层耐磨性明显优于起伏型涂层;设计和制备耐磨性良好涂层的判据是几何硬化率(GHR)不小于50%。起伏型涂层的磨损机理:硬化带表面自身非光滑磨损机制与磨头对硬化带的冲击磨损机制共同作用。平面型涂层的磨损机理:硬化带表面自身非光滑磨损机制与表面几何形貌非光滑磨损机制相结合。     

聚乙烯的降解氧化及对高密度聚乙烯/尼龙6共混物形态和性能的影响EI北大核心CSCD

采用将高密度聚乙烯(HDPE)先无氧热降解后氧气氧化的方式制备了氧化降解聚乙烯(ODPE),利用红外光谱等方法研究了氧化时间对ODPE中极性基团的种类和含量及ODPE含量对HDPE/PA6体系相形态和力学性能的影响。结果表明,在相对分子质量较低的ODPE链上引入了-OH、-C=O、-COOH等极性基团且随氧化时间延长,极性基团含量明显升高,其中羧基含量可达到0.069 mmol/g。随ODPE含量升高,HDPE/PA6共混体系的分散相粒径有明显的细化,粒径分布变窄,相界面变得模糊;共混材料的强度和韧性可同时得到明显的提高。