《電催化氧化技術(shù)》

電催化技術(shù)〔TechnologyofElectrocatalysis)第四組：陳良濤，李祎奔，王勁松，陳哲，李鑫，詹宇航1整理課件主要內(nèi)容一.電化學(xué)二.電催化的定義及特點三.電催化去除污染物的根本原理四.電催化電極與電極材料的種類五.電催化廢水處理反響器形式及應(yīng)用六.電催化技術(shù)的優(yōu)點、局限性及展望2整理課件一.電化學(xué)電化學(xué)定義：研究電能與化學(xué)能之間相互轉(zhuǎn)化的學(xué)科。原電池：化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能電解池：電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能轉(zhuǎn)化條件：1.涉及的化學(xué)反響必須有電子的轉(zhuǎn)移——氧化復(fù)原反響。2.化學(xué)反響必須在電極上進行3整理課件原電池組成：原電池：借助氧化復(fù)原反響把化學(xué)能直接變成電能的裝置。①

電極負(fù)極：電子流出的一極，發(fā)生氧化反響。正極：電子流入的一極，發(fā)生復(fù)原反響。②鹽橋鹽橋中裝有飽和的KCl溶液和瓊脂制成的膠凍。銅鋅原電池〔丹尼爾電池〕4整理課件

電解：在外電源的作用下被迫發(fā)生的氧化復(fù)原過程。電解池：將電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能的裝置。電解NaOH的電解池陽極：與正極相聯(lián)陰極：與負(fù)極相聯(lián)〔抽走電子〕〔供給電子〕根據(jù)離子遷移的方向，又分為：陰極：是陽離子移向的一極陽極：是陰離子移向的一極5整理課件二.電催化的定義及特點2.1定義：在電場作用下，存在于電極外表或溶液相中的修飾物能促進或抑制在電極上發(fā)生的電子轉(zhuǎn)移反響，而電極外表或溶液相中的修飾物本身并不發(fā)生變化的一類化學(xué)作用。6整理課件2.2電催化的特點：1.在常規(guī)的化學(xué)催化作用中，反響物和催化劑之間的電子傳遞是在限定區(qū)域內(nèi)進行的。因此，在反響過程中，既不能從外電路中送入電子，也不能從反響體系導(dǎo)出電子或獲得電流；在電極催化反響中有純電子的轉(zhuǎn)移。電極作為一種非均相催化劑既是反響場所，又是電子的供—受場所，即電催化反響同時具有催化化學(xué)反響和使電子遷移的雙重功能。7整理課件2.在常規(guī)化學(xué)催化反響中，電子的轉(zhuǎn)移過程無法從外部加以控制；電催化反響過程中可以利用外部回路控制電流，使反響條件、反響速度比較容易控制，并可以實現(xiàn)一些劇烈的電解和氧化-復(fù)原反響的條件。——電催化反響輸出的電流那么可以用來作為測定反響速度快慢的依據(jù)8整理課件——與電化學(xué)相比電催化反響在電化學(xué)反響的根底之上，主要是在電極上修飾外表材料及化學(xué)材料來產(chǎn)生強氧化性的活性物種，從而提高其降解有機物的能力；電化學(xué)反響只是簡單電極上的反響，其處理效率明顯比電催化反響低。9整理課件電化學(xué)復(fù)原直接復(fù)原間接復(fù)原電化學(xué)氧化直接氧化間接氧化電化學(xué)轉(zhuǎn)換電化學(xué)燃燒三.電催化去除污染物的根本原理電凝聚作用電浮選光電化學(xué)氧化10整理課件直接復(fù)原：污染物直接在陰極上得到電子而發(fā)生復(fù)原。根本反響式為：M2++2e-→M。許多金屬的回收即屬于直接復(fù)原過程，同時該法可使多種含氯有機物轉(zhuǎn)變成低毒性物質(zhì)，提高產(chǎn)物的可生物降解性。如：R-Cl+H++2e-→R-H+Cl-。3.1電化學(xué)復(fù)原11整理課件間接復(fù)原：利用電化學(xué)過程中生成的一些復(fù)原性物質(zhì)如Ti3+，V2+和Cr2+將污染物復(fù)原去除，如二氧化硫的間接電化學(xué)復(fù)原可轉(zhuǎn)化成單質(zhì)硫：SO2+4Cr2++4H+→S+4Cr3++2H2O12整理課件直接氧化：污染物直接在陽極失去電子而發(fā)生氧化，有機物的直接電催化氧化分兩類進行?！?〕電化學(xué)轉(zhuǎn)換——即把有毒物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o毒物質(zhì)，或把難生化的有機物轉(zhuǎn)化為易生化的物質(zhì)〔如芳香物開環(huán)氧化為脂肪酸〕，以便進一步實施生物處理；〔2〕電化學(xué)燃燒——即直接將有機物深度氧化為CO2。有研究說明，有機物在金屬氧化物陽極上的氧化反響機理和產(chǎn)物同陽極金屬氧化物的價態(tài)和外表上的氧化物種有關(guān)。3.2電化學(xué)氧化13整理課件——在金屬氧化物MOx陽極上生成的較高價金屬氧化物MOx+1有利于有機物選擇性氧化生成含氧化合物；——在MOx陽極上生成的自由基MOx(·OH)有利于有機物氧化燃燒生成CO2。具體反響機理如下：在氧析出反響的電位區(qū)，金屬氧化物外表可能形成高價態(tài)氧化物，因此在陽極上存在兩種狀態(tài)的活性氧，即吸附的氫氧自由基和晶格中高價態(tài)氧化物的氧。14整理課件陽極外表氧化過程分兩階段進行——首先溶液中的H2O或·OH在陽極上形成吸附的氫氧自由基:MOx+H2O→MOx(·OH)+H++e-

然后吸附的氫氧自由基中的氧轉(zhuǎn)移給金屬氧化物晶格，形成高價氧化物：MOx(·OH)→MOx+1+H++e-15整理課件當(dāng)溶液中不存在有機物時，兩種狀態(tài)的活性氧發(fā)生氧析出反響：MOx(·OH)→O2+MOx+H++e-MOx+1→MOx+O2當(dāng)溶液中存在可氧化的有機物R時，反響如下:R+MOx(·OH)→CO2+MOx+H++e-R+MOx+1→MOx+RO在含氰化物、含酚、含醇、含氮有機染料的廢水處理中，直接電化學(xué)氧化發(fā)揮了非常有效的作用。16整理課件間接氧化：通過陽極反響生成具有強氧化作用的中間產(chǎn)物或發(fā)生陽極反響之外的中間反響生成的中間物質(zhì)〔·OH、·O2、·HO2等自由基〕，氧化被處理污染物，最終到達氧化降解污染物的目的。17整理課件為了得到高的轉(zhuǎn)化效率，電催化氧化復(fù)原作用過程必須滿足以下要求：〔1〕氧化復(fù)原劑的生成電位必須不靠近析氫或析氧反響的電位；〔2〕氧化復(fù)原劑的產(chǎn)生速度足夠大；〔3〕氧化復(fù)原劑與污染物的反響速度比其他競爭反響的大；〔4〕其他物質(zhì)〔或污染物〕在電極上的吸附小。18整理課件

在電解過程當(dāng)中，如果采用鋁質(zhì)或鐵質(zhì)的可溶性陽極，通以直流電后，陽極材料會在電解過程當(dāng)中發(fā)生溶解，形成金屬陽離子Fe3+、Al3+等，與溶液中的粒子形成具有絮凝作用的膠體物質(zhì)，這些物質(zhì)可促使水中的膠態(tài)雜質(zhì)絮凝沉淀，從而實現(xiàn)污染物的去出。3.3電凝聚作用19整理課件在對廢水進行電化學(xué)處理過程中，通過電極反響在陰極和陽極上分別析出H2和O2，產(chǎn)生直徑很小〔約8~15μm〕、分散度很高的氣泡，作為載體吸附系統(tǒng)中的膠體微粒及懸浮固體上浮，在水面形成泡漠層，用機械方法加以去除，從而到達別離污染物的目的。可通過調(diào)節(jié)電流、電極材料、pH值和溫度可改變產(chǎn)氣量及氣泡大小，滿足不同需要。3.4電浮選20整理課件在電場作用下，以光催化劑作為電化學(xué)催化電極，使陽極發(fā)生電催化作用對陽極槽中的有機物進行催化降解的同時，并在紫外光作用下，降解污染物，從而大大提高了對難降解有機物的催化降解效率。3.5光電化學(xué)氧化21整理課件四.電催化電極與電極材料的種類1.催化電極的種類主要分為兩大類：二維電極；三維電極；〔流化床電極〕22整理課件a.二維電催化電極應(yīng)用最廣泛的是DSA類電極。DSA電極——以特殊工藝在金屬基體〔如Ti，Zr，Ta，Nb等〕上沉積一層微米或亞微米級的金屬氧化物薄膜〔如SnO2，IrO2，RuO2，PbO2等〕而制備的穩(wěn)定電極。DSA類電極通過改進材料及涂層結(jié)構(gòu)提供了較高的析氧過電位，防止陽極氧氣的析出，提高其電流效率。23整理課件優(yōu)點：由于DSA類電極的化學(xué)和電化學(xué)性質(zhì)能夠隨著氧化物膜的材料組成和制備方法而改變，因而能夠獲得良好的穩(wěn)定性和催化活性。缺點：有效電極面積很小，傳質(zhì)差，導(dǎo)致單位時空處理效率較低。24整理課件b.三維電催化電極定義：在原有的二維電極之間裝填粒狀或其他屑狀工作電極材料，致使裝填電極外表帶電，在工作電極材料外表發(fā)生電化學(xué)反響。優(yōu)點：面積比較大且能以較低的電流密度提供較大的電流強度；粒子之間間距小，物質(zhì)傳質(zhì)極大改善；單位時空產(chǎn)率和電流效率均極大提高，尤其對低電導(dǎo)率廢水，其優(yōu)勢更是明顯。25整理課件〔2〕電極材料的種類a.金屬電極金屬電極是指以金屬作為電極反響界面的裸露電極，除堿金屬和堿土金屬外，大多數(shù)金屬作為電化學(xué)電極均有很多研究報道。b.碳素電極由元素碳組成的電極的總稱?？煞譃樘烊皇姌O、人造石墨電極、碳電極以及特種碳素電極等四類。26整理課件c.金屬氧化物電極導(dǎo)電金屬氧化物電極具有重要的電催化特性，這類電極大多為半導(dǎo)體材料。d.非金屬化合物電極一般所說的非金屬電極是指硼化物、碳化物、氮化物、硅化物、氯化物等。非金屬材料作為電極材料，最大的優(yōu)勢在于這類材料的特殊物理性質(zhì)，如高熔點、高硬度、高耐磨性、良好的耐腐蝕性以及類似金屬的性質(zhì)等。27整理課件2.催化電極的性能電極在電化學(xué)處理技術(shù)中處于“心臟〞的地位，電極的電催化特性是電催化技術(shù)的核心內(nèi)容，即希望電極對目標(biāo)有機物表現(xiàn)出高的反響速率，并且有好的選擇性。催化電極的功能：既能導(dǎo)電，又能對反響物進行活化，提高電子的轉(zhuǎn)移速率，對電化學(xué)反響進行某種促進和選擇。28整理課件良好的電催化電極應(yīng)該具備以下幾項性能：〔1〕良好的導(dǎo)電性：至少與導(dǎo)電材料〔例如石墨〕結(jié)合后能為電子交換反響提供不引起嚴(yán)重電壓降的電子通道，即電極材料的電阻不能太大；〔2〕高的催化活性：即能夠?qū)崿F(xiàn)所需要的催化反響，抑制不需要或有害的副反響；29整理課件〔3〕良好的穩(wěn)定性：能夠耐受雜質(zhì)及中間產(chǎn)物的作用而不致較快地被污染〔或中毒〕而失活，并且在實現(xiàn)催化反響的電勢范圍內(nèi)催化外表不至于因電化學(xué)反響而過早失去催化活性；〔4〕良好的機械物理性質(zhì)：即外表層不脫落、不溶解。電極材料的性質(zhì)是決定電極催化特性的關(guān)鍵因素。電極材料的不同可以使反響速度發(fā)生數(shù)量級的變化。改變電極材料的性質(zhì)，既可以通過變換電極基體材料來實現(xiàn)，也可以用有電催化性能的涂層對電極外表進行修飾改性而實現(xiàn)。電極涂層的制備工藝條件對其催化性能有很大的影響。30整理課件3.電催化電極的組成及結(jié)構(gòu)催化劑之所以能改變電極反響的速率，是由于催化劑與反響物之間存在的某種相互作用改變了反響進行的途徑，降低了反響的活化能。在電催化過程中，催化反響是發(fā)生在催化電極/電解液的界面，即反響物分子必須與電催化電極發(fā)生相互作用，而相互作用的強弱那么主要決定于催化電極外表的結(jié)構(gòu)和組成。31整理課件〔1〕外表材料電極對催化劑的要求滿足：反響外表積要大；有較好的導(dǎo)電能力；吸附選擇性強；在使用環(huán)境下的長期穩(wěn)定性；機械性能好；資源豐富且本錢低；環(huán)境友好。目前電催化電極外表材料主要涉及過渡金屬及半導(dǎo)體化合物。32整理課件a.過渡金屬：由于過渡金屬的原子結(jié)構(gòu)中有空余的d軌道和未成對的d電子，通過含過渡金屬的催化劑與反響物分子的電子接觸，這些催化劑空余d軌道上將形成各種特征的吸附鍵到達分子活化的目的，從而降低了復(fù)雜反響的活化能，到達電催化目的，因此，過渡金屬及其一些化合物本身具有較好的催化活性。b.半導(dǎo)體化合物：由于半導(dǎo)體的特殊能帶結(jié)構(gòu)，其電極/溶液界面具有一些不同于金屬電極的特殊性質(zhì)，由于產(chǎn)物不易被吸附在電極外表，本身電極外表的氧化速率高于一般電極，因此在電催化問題的研究中，半導(dǎo)體化合物占有特殊重要的位置。33整理課件〔2〕根底電極根底電極：也叫電極基質(zhì)，是指具有一定強度、能夠承載催化層的一類物質(zhì)。一般采用貴金屬電極和碳電極。根底電極無電催化活性，只承擔(dān)著作為電子載體的功能?！叩臋C械強度；——良好的導(dǎo)電性；——與電催化組成材料有一定的親和性。34整理課件〔3〕載體根底電極與電催化涂層有時親和力不夠，致使電催化涂層易脫落，嚴(yán)重影響電極壽命。電催化電極的載體：一類起到將催化物質(zhì)固定在電極外表，且維持一定強度的一類物質(zhì)，對電極的催化性能也有很大影響。常用的載體多采用聚合物膜和一些無機物膜。載體必須具備良好的導(dǎo)電性及抗電解液腐蝕的性能，其作用可分為兩種情況：支持和催化，相應(yīng)地可以將載體分為兩種情況：35整理課件〔1〕支持性載體：僅作為一種惰性支撐物，只參與導(dǎo)電過程，對催化過程不做任何奉獻；——催化物質(zhì)負(fù)載條件不同只會引起活性組分分散度的變化〔2〕催化性載體：載體與負(fù)載物存在某種相互作用，這種相互作用的存在修飾了負(fù)載物質(zhì)的電子狀態(tài)，其結(jié)果可能會顯著改變負(fù)載物質(zhì)的活性和選擇性。同時，載體與負(fù)載物之間的結(jié)合程度是影響電催化電極性能的重要因素〔影響電極的機械強度和穩(wěn)定性，影響到電極的使用壽命〕。例：Pt-WO3，Ti-SnO2-PbO236整理課件〔4〕電極外表結(jié)構(gòu)電催化電極的外表微觀結(jié)構(gòu)和狀態(tài)是影響電催化性能的重要因素之一，而電極的制備方法直接影響到電極的外表結(jié)構(gòu)。目前電催化電極的主要制備方法有熱解噴涂法、浸漬法〔或涂刷法〕、物理氣相沉積法〔PVD〕、化學(xué)氣相沉積法〔CVD〕、電沉積法、電化學(xué)陽極氧化法，以及溶膠－凝膠法等。為了增大單位體積的有效反響面積，改善傳質(zhì)，用于三維電極的各種新材料相繼問世，如金屬碳復(fù)合電極，碳納米管材料等?？傊?，無論是提高催化活性還是提高孔積率、改善傳質(zhì)，改進電極外表微觀結(jié)構(gòu)都是一個重要手段，因而電極的制備工藝絕對是非常關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)。37整理課件4.電解質(zhì)支持電解質(zhì)：參加到有機廢水的電化學(xué)處理體系中，可以增強溶液導(dǎo)電性，使有機物的降解反響順利發(fā)生的電解質(zhì)鹽。根本要求：〔1〕當(dāng)量電導(dǎo)率大：降低電阻，減少能耗；〔2〕性質(zhì)穩(wěn)定：不參與電化學(xué)反響，也不與有機物反響，防止能量損耗，降低電流效率；〔3〕無毒無害，且易于去除；〔4〕不在電極外表發(fā)生特性吸附：防止降低電極的有效反響面積。38整理課件五.電催化廢水處理反響器形式及應(yīng)用電催化廢水處理反響器形式電催化技術(shù)在廢水處理中的應(yīng)用影響電催化氧化效率的因素39整理課件1.電催化廢水處理反響器形式電化學(xué)反響器種類繁多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不同的應(yīng)用領(lǐng)域，所應(yīng)用的反響器結(jié)構(gòu)和形式均不完全一樣，其中，反響器結(jié)構(gòu)和電極結(jié)構(gòu)是影響電化學(xué)應(yīng)用中電流效率的重要因素之一。電化學(xué)反響器分為二維反響器和三維反響器，如下表：40整理課件41整理課件2.電催化技術(shù)在廢水處理中的應(yīng)用42整理課件國內(nèi)狀況：電化學(xué)水處理技術(shù)的研究應(yīng)用和國外相比比較分散、不系統(tǒng)?！?〕重金屬的去除和含氰廢水的處理；〔2〕染料工業(yè)廢水；〔3〕工業(yè)廢水；〔4〕啤酒廠廢水43整理課件國外狀況：在國外，用電化學(xué)水處理技術(shù)處理有機廢水的研究非常多?！?〕制革廢水；〔2〕印染廢水；〔3〕甲醛廢水〔4〕垃圾滲濾液電化學(xué)過程可以有效地破壞大分子有機物，并降低其毒性，處理后的廢水可生化降解性提高。44整理課件3.影響電催化效率的因素影響電催化效率的因素主要包括四個方面：電極材料、電解質(zhì)溶液、廢水的理化性質(zhì)和工藝因素〔電化學(xué)反響器的結(jié)構(gòu)、電流密度、通電量等〕?！?〕電極材料——電極材料選擇的好壞，直接影響有機物降解效率的上下〔高電勢〕——盡量防止競爭副反響〔析氧反響〕——不同的電極材料可引起電化學(xué)反響速度發(fā)生數(shù)量級上的變化——研制高電催化活性的電極材料45整理課件為了提高電極的催化活性，一般都對電極進行修飾，其方法有：a.在電解液中添加有催化作用的物質(zhì)；b.將電極改為活性高的材料；c.對電極材料外表進行修飾。對電極進行摻雜是改變電極材料組成及其性能的常用的一類方法。例：摻雜Sb的SnO2電極的導(dǎo)電能力及催化氧化性能都有了很大提高?！獡诫s的SnO2電極對析氧反響具有極高的過電位，——較高的電流效率——鹵素和有機鹵代物有較強的阻滯作用，減小了處理過程中形成有毒鹵代化合物的可能性。

46整理課件〔2〕電解質(zhì)溶液a.電解質(zhì)溶液的濃度——溶液濃度太低，電流小，降解速率低——隨著電解質(zhì)溶液濃度的增加，溶液的導(dǎo)電能力增強，電壓效率提高。但電解質(zhì)濃度到達一定濃度后，電壓效率的提高趨于平緩，假設(shè)再加大投入量會增加處理費用47整理課件b.電解質(zhì)的種類Na2S04：惰性電解質(zhì)，電解過程中不參與反響，只起導(dǎo)電作用，電解效率的上下僅與其濃度有關(guān)；NaCl：在電解過程中參與電極反響，Cl-在陽極氧化，進而轉(zhuǎn)變成HClO，后者是一種強氧化劑，不但可以直接氧化有機物，而且還能阻止有機物〔或中間產(chǎn)物〕在電極外表的吸附〔使電極活性降低〕。缺點：Cl-的參加也可以引起一些副反響，如生成的游離氯或電極上吸附的單原子氯可以與廢水中溶解的有機物或其氧化的中間產(chǎn)物反響，生成有毒且更難降解的有機氯化物；Cl-在電極上的吸附影響有機物在電極上的吸附氧化；Cl2的產(chǎn)生也使電流效率有所降低。48整理課件〔3〕廢水的理化性質(zhì)——同一電極對不同有機物表現(xiàn)出不同的電催化氧化效率；——廢水體系的pH值常常會影響電極的氧化效率，而這種影響不僅與電極的組成有關(guān)，也與被氧化物質(zhì)的種類有關(guān)；——添加支持電解質(zhì)〔如NaCI、Na2S04〕增加廢水的電導(dǎo)率，可減少電能消耗，提高處理效率。49整理課件〔4〕工藝因素——反響器：二維反響器、三維反響器——電流密度——電解時間——溶液傳質(zhì)不同的有機污染物降解所需的各條件的最正確指標(biāo)是不同的，有必要深入研究有機物在電極上的氧化歷程，開發(fā)高效的電極材料，確定最正確的降解條件，提高電解效率，降低水處理費用。50整理課件六.電催化技術(shù)的優(yōu)點、局限性及展望1.優(yōu)點〔1〕電子轉(zhuǎn)移只在電極及廢水組分之間進行，不需要另外添加氧化復(fù)原試劑，同時也防止了由另外添加藥劑而引起的二次污染問題；〔2〕可以通過改變外加電流、電壓，隨時間調(diào)節(jié)反響條件，可控制性較強；〔3〕反響過程中可能產(chǎn)生的自由基可以無選擇地直接與廢水中的有機污染物反響，可將其降解為CO2、H2O和簡單低分子有機物，沒有或很少產(chǎn)生二次污染；51整理課件〔4〕能量效率高，反響條件較溫和，電化學(xué)過程一般在常溫常壓下即可進行；〔5〕反響器設(shè)備及其操作一般比較簡單，如果設(shè)計合理，費用并不昂貴；〔6〕當(dāng)排污規(guī)模較小時，可以進行就地處理；〔7〕當(dāng)廢水中含有金屬離子時，陰、陽兩極可同時起作用〔陰極復(fù)原金屬離子，陽極氧化有機物〕，使處理效率提高，同