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浅析钛基二氧化铅电极电催化降解有机污染物的研究进展
发布日期:2017-07-26   浏览次数:50
核心提示:简要介绍了电催化降解有机物的反应机理,并重点介绍了钛基二氧化铅电极对有机污染物降解的效果和特性,通过中间层的引入和活性物质的掺杂能够显著提升电极的稳定性、使用寿命及电催化氧化有机污染物的能力,最后总结了钛基二氧化铅电极的优点和目前所存在的问题,并对电极今后的发展方向提出建议。
 1.钛基二氧化铅电极对有机污染物的降解研究

Saratale等[14]的研究结果显示,在pH=2,电压为5V的条件下,Ti/PbO2电极能够将250mg/L的苯酚完全降解;Fe2+的投加能够抑制苯酚的降解,但能够提高TOC的去除率。Zhu等[15]也利用对双酚A进行降解,电解1.5h后,CODcr去除率达90.6%。张惠灵等[16]利用电沉积法制备Ti/PbO2电极,并用该电极电催化降解10 mg/L的甲基橙溶液,结果表明,在电流密度为36 mA/cm2的条件下,电催化反应12min甲基橙的去除率高达100%。大量研究表明,电沉积法制得的PbO2晶型绝大多数为型(即)。虽然电极氧化后生成的TiO2同属于四方金红石结构,但由于这两种氧化物的晶格尺寸及晶胞体积相差很大,它们之间几乎不可能生成固溶体[17]。随着电极阳极极化时间的延长,TiO2过渡层逐渐将镀层与钛基体完全分开,使得电极的内应力急剧上升,镀层与钛基体的结合力也大大降低,从而导电极电阻增大及致镀层容易脱落,最终使得电极失活。

2.新型钛基二氧化铅电极对有机污染物的降解研究

Nunes等[18]对比研究了对四环素类抗生素(四环素和土霉素)的降解,结果显示,Pt中间层的引入,能够显著增强电极的导电性,大大降低能量的消耗。由于Pt金属价格非常昂贵,考虑到经济效益,该方法是不切合实际的。为了降低材料成本,Zhang等[19]通过电沉积法向电极中引进中间层,并利用电极进行2-氯苯酚的降解性能研究,结果发现,中间层的引入,能够增加电极的析氧电位和稳定性,对2-氯苯酚的降解率由原来的78.4%提升至100%。有研究发现[20-21],多孔钛基电极的使用寿命较平面钛基电极的寿命大大提高;在麝香酮初始浓度为50mg/L、电流密度为40mA/cm2及Na2SO4浓度为0.06mol/L的条件下,电解120min后,多孔钛基电极对麝香酮的去除率高达99.93%。郭新燕等[22]对比研究了电极对2-氯苯酚的降解效果,结果显示,拥有更高的析氧电位和更长的电极使用寿命,对2-氯苯酚的去除效率为99.3%。Zhao等[23]的研究结果表明,TiO2-TNs中间层的引入,能够大大提高Ti基体对PbO2的承载能力。Yao等[24]对比研究单层和双层中间层的电极性能时发现,电极的使用寿命分别为2h、5h、59h,双中间层电极较单中间层电极的寿命提高了近11倍。

因此通过中间层的引入,在一定程度上,能够阻止高电阻TiO2的生成,降低界面电阻,从而增强电极的导电性;能够增强镀层与钛基体之间的结合力,从而增加电极的使用寿命和稳定性;能够提高电极的析氧电位,从而提升其对有机污染物的降解能力。

3.钛基二氧化铅电极掺杂改性及其对有机污染物的降解研究

为了提高钛基二氧化铅电极的催化活性和稳定性,可在电沉积PbO2表面活性层时,掺杂某些活性物质对钛基二氧化铅电极进行改性。大量研究表明,某些活性物质的掺杂有利于晶核的形成,提高晶核的生长速度,使PbO2沉积层的结晶更加均匀、细致,并能有效提高电极的电催化活性和稳定性。

4.1离子掺杂

Feng等[25]的研究结果表明,F-掺杂在PbO2镀层里能够明显增强镀层与钛基体的结合力;Cao[26]等也对比研究了PbO2和F-PbO2电极的性能,发现F-PbO2电极的寿命较PbO2增加了近2倍,并且F-PbO2电极降解4-氯酚的效果更优越。Xia等[27]研究发现,Ni2+掺杂PbO2能够强化电极的抗腐蚀性和提高电极的析氧电位,使得其对阿司匹林的降解效率显著提升。有研究发现[28],Fe3+掺杂的PbO2电极反应90min能够将硝基苯完全去除,而不掺杂Fe3+的PbO2电极反应180min后,硝基苯的降解率才82%,所以通过Fe3+掺杂能够提高PbO2电极对硝基苯的降解效率,并大大缩短处理时间。Xu等[29]利用Ce3+掺杂的PbO2电极降解甲基橙,反应120min后,甲基橙溶液中的COD去除率达100%。也有大量的研究报道[30-31],Al3+和Co2+对PbO2活性层的掺杂,能够提高电极稳定性并进一步强化其对有机污染物的去除能力。

4.2颗粒悬浮物掺杂

Zhao等[23]人利用疏水聚合物(含氟树脂)掺杂PbO2,结果显示,含氟树脂的掺杂能够增强PbO2表面的疏水性,减少羟基自由基表面吸附能力,从而提高电极的析氧电位和羟基自由基利用率,最终大大提高其对2,4-二氯苯乙酸的降解率。Ho等[32]的研究发现,疏水性聚四氟乙稀(PTFE)掺杂PbO2能够显著提高电极的析氧反应活性。也有研究发现[33],在酸性介质中,Co3O4掺杂的PbO2电极具有高活性,但析氧电位低于PbO2电极。大量的研究表明壳聚糖可以有效的吸附水体中的有机污染物,Wang等[34]利用壳聚糖对PbO2电极进行改性,结果显示,改性后的电极具有高的吸附性和氧化性,并且其对2,4-二氯苯酚的降解效果也最好。

 
 
 
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