改性二氧化铅电极的制备及其电催化性能研究

分类号：X505 密 级：公开档案号：2010-172-081704-11-005 学 号：0711091005硕 士 学 位 论 文（2010 届）改 性 二 氧 化 铅 电 极 的 制 备 及 其 电 催 化 性 能 研 究研 究 生 姓 名 季 跃 飞 指导教师姓名 魏杰（教授） 专 业 名 称 应 用 化 学 研 究 方 向 应 用 电 化 学 论文提交日期 2010 年 5 月 苏州科技学院硕士学位论文改 性 二 氧 化 铅 电 极 的 制 备 及 其 电 催 化 性 能 研 究硕士研究生：季跃飞 指 导 教 师 ：魏杰（教授） 学 科 专 业 ：应用化学苏州科技学院化学与生物工程学院二一年五月Master Dissertation of Suzhou University of Science and TechnologyPreparation of Modified Lead Dioxide Electrode and Research of the Electro-catalytic PropertiesMaster Candidate: Ji YueFeiSupervisor: Wei Jie (Professor)Major: Applied ChemistrySuzhou University of Science and TechnologyDepartment of Chemical and Biological EngineeringMay, 2010苏州科技学院学位论文独创性声明和使用授权书独创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文使用授权书苏州科技学院、国家图书馆等国家有关部门或机构有权保留本人所送交论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅。本人完全了解苏州科技学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其他复制手段保存汇编学位论文；同意学校在不以赢利为目的的前提下，用不同方式在不同媒体上公布论文的部分或全部内容。（保密论文在解密后遵守此规定）论文作者签名： 日期： 年 月 日指导教师签名： 日期： 年 月 日苏州科技学院硕士学位论文I摘 要制 备 了 四 种 阳 极 ， 分 别 为 Ti/PbO2、 Ti/Fe-PbO2、 Ti/SnO2+Sb2O3 和 Ti/SnO2+Sb2O3 /Fe-PbO2。 采 用 扫 描 电 子 显 微 镜 （ SEM） 、 X-射 线 衍 射 仪 （ XRD） 、 阳 极 析 氧 电 位 测 试（LSV ） 、循环伏安法（CV） 、电极强化寿命测试和电感耦合离子发射光谱（ICP）等方法对电极进行了表征。通过电催化氧化降解苯酚模拟废水，比较了所制备四种电极的电催化性和导电性。研究结果表明，在所制备的四种电极中 Ti/SnO2+Sb2O3 /Fe-PbO2 电极具有较高的析氧电位和催化活性，较低的槽电压以及较长的使用寿命，是一种优良的阳极材料。该电极中间层由 SnO2+Sb2O3 涂层构成，而外层主要由金红石结构的 - PbO2 组成，晶粒致密均匀，有利于提高电极的催化活性。中间层SnO2+Sb2O3 的引入提高了钛基 PbO2 电极的导电性，而铁元素的掺杂显著提高了电极的电催化氧化能力。考察了电流密度、初始有机物浓度、支持电解质 Na2SO4 浓度、支持电解质种类、温度和 pH 值等不同工艺条件对苯酚降解效果的影响，研究结果表明，采用该电极电催化降解苯酚模拟废水的最佳工艺条件为：电流密度 10mA/cm2、初始苯酚浓度100mg/L、 Na2SO4 浓度 0.05mol/L、温度 25、溶液 pH 为 12，5h 苯酚去除率能达到 97%。而在所考察的三种支持电解质中，苯酚的去除率大小依次为NaCl Na2SO4NaNO 3。 Cl-能氧化形成 Cl2、HClO 和 ClO-，起到间接氧化苯酚的作用。采用异丙醇为 OH 捕获剂，考察了 OH 对电催化降解苯酚的影响。研究结果表明电化学氧化苯酚主要是 OH 参与的间接氧化。反应过程中电极表面产生的羟基自由基对苯酚的氧化去除起着主要作用。另外，为考察所制备电极实际工业化应用的可能性，设计了电化学反应器。实验结果表明，本实验制备的电化学反应器能有效地降解苯酚模拟废水，5h 苯酚去除率为 98%，COD 为 72%，且运行稳定可靠。关键词： 电催化氧化，钛基 PbO2 电极，苯酚，中间层，铁掺杂苏州科技学院硕士学位论文IIAbstractFour anodes: Ti/PbO2, Ti/Fe-PbO2, Ti/SnO2 Sb2O3 and Ti/SnO2 Sb2O3/Fe-PbO2 were prepared.The electrodes were characterized with scanning electron micrograph (SEM), X-ray diffraction (XRD), anodic oxygen evolution potential testing (LSV), cyclic voltammetry (CV), accelerated service-life testing and inductively coupled plasma (ICP) to evaluate the properties. The electro-catalytic activity and conductivity of our laboratory-made electrodes were explored through electrochemical oxidation of phenol simulated wastewater. The experimental results showed that, among four anodes, our laboratory-made modified lead dioxide electrode Ti/SnO2Sb 2O3/Fe-PbO2 was a novel anodic material with relatively high oxygen evolution potential and catalytic activity, low cell voltage and long service-life. The intermediate layer of the electrode contained of SnO2+Sb2O3, while the outside layer mainly contained of - PbO2 with a tetragonal structure. The outside layer possessed small-size crystal particles and a uniform, compact crystalline structure, which favored to improving the electrodes catalytic activity. The stability and electro-catalytic activity of the electrode were improved greatly by introducing the intermediate layer and iron doping.At the same time, the influence factors of phenol removal rate such as current density, initial phenol concentration, supporting electrolyte Na2SO4 concentration, supporting electrolytes types, temperature, and pH value were investigated systematically. It was found that the optimal operating condition of electrochemical oxidation of phenol were a current density of 10mA/cm2, a initial phenol concentration of 100mg/L, a supporting electrolyte concentration of 0.05mol/L, a temperature of 25 and a pH value of 12 in this study. Under such operation condition, a phenol removal rate of 97% can be obtained after 5h degradation. For the three electrolytes studied, the sequence of the phenol removal rate was NaClNa 2SO4NaNO 3. The Cl- ion existed in the solution can transform to Cl2, HClO and ClO- by oxidation, which can indirectly oxide phenol. The effect of OH on phenol electrocatalytic degradation was investigated by using isopropanol as OH capture. The result of the study showed that electrochemical oxidation of phenol was mainly of indirect oxidation and the hydroxyl radicals (OH) electro-generated on the electrode surface during the electrolysis process played a significant role for the oxidation of phenol.In addition, electrochemical reactor was designed in order to explore the possibility of modified electrode in practical industrial application. The results indicated that the 苏州科技学院硕士学位论文IIIelectrochemical reactor can effectively degrade phenol simulated wastewater. The phenol removal rate of 98% and COD of 72% can be reached. Running of the electrochemical reactor was stable and safety. Keywords：Electro-catalytic oxidation, Ti-based PbO2 electrode, phenol, intermediate layer, iron doping 苏州科技学院硕士学位论文IV目 录中文摘要 Abstract第 1 章 绪论11.1 引言 11.1.1 湿式催化氧化法 11.1.2 Fenton 试剂氧化法11.1.3 光催化氧化法 21.1.4 臭氧氧化法31.1.5 微波辅助氧化法31.1.6 超声波氧化法31.2 电催化氧化技术概述31.2.1 电催化氧化发展历史 41.2.2 电催化氧化机理41.2.3 电催化氧化技术分类61.2.4 电催化氧化技术的优点71.2.5 电催化氧化技术应用局限性、前景和展望71.3 钛基二氧化铅电极简介81.3.1 钛金属简介81.3.2 二氧化铅电极简介81.3.3 钛基二氧化铅电极研究现状81.4 选题的意义及研究内容10第 2 章 电极制备及性能研究方法122.1 实验试剂与仪器122.1.1 试剂122.1.2 仪器132.2 不同种类催化电极的制备132.2.1 Ti/PbO2 电极的制备132.2.2 Ti/Fe-PbO2 电极的制备142.2.3 Ti/SnO2+Sb2O3 电极的制备142.2.4 Ti/SnO2+Sb2O3 /Fe-PbO2 电极的制备152.3 电极性能研究方法152.3.1 SEM 测试 152.3.2 XRD 和 ICP 测试15苏州科技学院硕士学位论文V2.3.3 析氧电位测试152.3.4 电催化氧化性能测试152.3.5 加速寿命测试152.3.6 电催化氧化降解实验16第 3 章 不同阳极对苯酚降解效果的影响173.1 不同阳极的表面形貌173.2 不同阳极的析氧电位183.3 不同阳极对苯酚电催化氧化降解性能的影响183.4 不同阳极对槽电压的影响193.5 不同阳极对苯酚电催化氧化动力学的影响203.6 Ti/SnO2+Sb2O3 /Fe-PbO2 电极电催化降解苯酚的研究223.6.1 电极的 SEM 测试结果 223.6.2