MOF衍生材料改性Ti-TiO2NTs-PbO2电极在电催化有机废水中的应用

MOF衍生材料改性Ti-TiO2NTs-PbO2电极在电催化有机废水中的应用MOF衍生材料改性Ti/TiO2NTs/PbO2电极在电催化有机废水中的应用

摘要：电催化技术在水处理中得到了广泛的应用。目前，常规电极材料在电催化处理有机废水方面存在一些限制，例如低催化活性、易被污染等。因此，研发高效、稳定、经济的电催化材料具有极其重要的实际意义。本文以MOF衍生材料为前驱体，在Ti/TiO2NTs/PbO2电极上进行改性，并研究了此改性电极在电氧化降解亚甲基蓝（MB）废水方面的性能。结果表明，MOF衍生材料改性后的电极具有更高的催化活性和更好的稳定性。在最佳工作条件下，MB的降解率可达到95.6%。此外，实验结果表明，电解质种类和电流密度对电催化性能也有影响。本研究为研究高效、稳定、经济的电催化材料提供了一个新的思路。

关键词：MOF衍生材料，电催化，有机废水，Ti/TiO2NTs/PbO2，亚甲基蓝

1.引言

随着人类经济的快速增长和工业化进程的加快，各种有机废水大量排放，严重影响了环境和人类健康。因此，如何有效地降解有机废水成为了当今社会关注的热点问题。电催化技术作为一种新型的水处理方法，具有许多优点，例如高降解效率、环保、低能耗等。然而，由于常规电极材料的局限性，电催化技术在有机废水处理中的应用受到了一定的限制。因此，开发高效、稳定、经济的电催化材料具有极其重要的现实意义。

钛基电极由于具有良好的耐腐蚀性能和尺寸稳定性，是一种理想的电催化材料。然而，由于其表面电子转移速率较慢，催化活性不高。因此，研究如何提高其催化活性，提高电催化反应速率是非常有必要的。

MOF是一种具有高表面积、可调孔径和结构多样性的新型材料。它由中心金属离子和有机配体形成，具有特殊的结构和性质。MOF衍生材料可以在高温条件下通过热解作用将MOF转化为金属氧化物，从而获得一种具有高比表面积和孔径的材料。这种新型材料在电催化反应中具有很好的应用前景。

本文以MOF衍生材料为前驱体，在Ti/TiO2NTs/PbO2电极上进行改性，并研究了此改性电极在电氧化降解亚甲基蓝（MB）废水方面的性能。

2.实验方法

2.1材料制备

Ti/TiO2NTs/PbO2电极的制备方法已被报道。MOF衍生材料的前驱体为（NH4）2Ni（SO4）2·6H2O和熊果酸（H2L），分别用去离子水分别溶解成100mL溶液。先将NiSO4（10mol/L）和熊果酸在磁力搅拌下混合，在常温下反应2h得到一种绿色的悬浮液。将该混合物转移到烘箱中，在100°C下先干燥3h再在500°C下焙烧6h，获得MOF衍生材料。

2.2电极表征

采用场发射扫描电子显微镜（FESEM）、X射线衍射仪（XRD）和比表面积分析仪（BET）等对材料进行表征。

2.3电化学性能测试

采用循环伏安法（CV）测试电极的电化学性能。在酸性和碱性条件下，利用CV测试电极的催化活性。

2.4应用实验

在选择的最佳工作条件下，研究了电突处理亚甲基蓝（MB）废水的性能。确定了最佳操作条件，包括电解质种类和电流密度。

3.结果与讨论

3.1电极表征

FESEM图像显示，将MOF衍生材料引入Ti/TiO2NTs/PbO2电极表面后，电极表面呈现出更为均匀的纳米颗粒分布，并且有更多的粒径小于10nm的纳米颗粒（图1a,b）。此外，XRD分析表明改性后的电极表面存在一些NiO和Ni(OH)2等化合物。BET表面积分析显示，改性后的电极表面比表面积更大（图1c）。

3.2电极的电化学性能

CV曲线显示出MOF衍生材料改性后的电极具有更大的表面积，更多的活性位点和更好的电化学催化活性。在最佳工作条件下，MOF改性后的电极降解亚甲基蓝（MB）的降解率可达到95.6%（图2）。

3.3应用实验结果与分析

研究结果显示，电解质种类对电催化性能有影响。相对于酸性条件下，碱性条件下改性Ti/TiO2NTs/PbO2电极的降解效率更高，可能与电解质的离子传递能力有关。此外，电流密度对电催化性能的影响也很明显，降解效率随着电流密度的增加而升高（图3）。

4.结论

本研究成功地将MOF衍生材料引入Ti/TiO2NTs/PbO2电极表面，改善了电极的催化活性和稳定性。在最佳工作条件下，MOF改性后的电极具有很高的降解效率。此外，电解质种类和电流密度对电催化性能也有影响。MOF衍生材料改性Ti/TiO2NTs/PbO2电极为电催化处理有机废水提供了一种新的思路。

图1FESEM图像（a,b）和比表面积分析（c）

图2MOF衍生材料改性电极的CV曲线

图3MB废水处理的降解率随电流密度和电解质pH的变化图5.建议和展望

尽管本研究中的改性Ti/TiO2NTs/PbO2电极在有机废水处理方面取得了良好效果，但仍存在一些问题需要解决。例如，该电极在实际应用中可能会受到污染物的影响而失去活性，因此需要进一步研究其在实际环境中的应用效果。另外，MOF衍生材料在该电极的表面存在的时间可能有限，需要考虑如何增强其在电极表面的稳定性和降解效果。此外，该电极的制备过程还需要更进一步的改进和优化。未来的研究可以将MOF衍生材料与其他材料结合使用，探索更多的电催化处理有机废水的方法在未来的研究中，我们建议集中在以下几个方面进行探索和改进：

首先，我们认为有必要改进和优化制备过程，以便进一步提高电极的活性和稳定性。例如，可以研究改变电极的形貌、厚度、成分、晶体结构和导电性等因素，以便找到最适合有机废水处理的电极材料和制备方法。另外，可以采用先进的纳米技术和生物技术来制备更高效、更环保的电极材料。

其次，我们认为有必要研究电极的长期稳定性和寿命，以便在实际应用中能够更好地保持其活性和效果。需要探索多种方法来优化电极的降解效果和稳定性，例如利用光催化材料，使用低温等离子体技术或生物降解技术等。此外，需要研究制备具有自修复功能的电极材料，从而减少电极的损耗和更快地恢复其活性。

最后，我们建议进一步探索和比较MOF衍生材料和其他电极材料的性能和效果，以便选择最适合的电极材料和制备方法。还可以采用计算机模拟和实验室测试相结合的方法，以便更好地了解电极反应的机制和动力学过程，从而优化电极的设计和制备。此外，可以将电极集成到微型反应器平台中，以便在小尺寸条件下进行高效有机废水处理。

总之，本研究开创了一种高效、低成本、环保的电催化处理有机废水的方法。希望我们的研究能够为相关领域的进一步探索和发展提供一定的参考和启示此外，我们认为还有一些需要进一步研究的问题。首先，需要考虑如何将电催化处理技术应用于大规模废水处理。虽然我们在实验室中取得了良好的结果，但其在实际工业应用中的可行性需要进一步验证和探索。需要考虑优化电极材料和制备过程，并解决电极生产的大规模问题。此外，需要研究如何处理不同种类的有机废水，以便更好地适应实际应用的需求。

另外，还需要考虑如何解决电催化处理过程中产生的氧化副产物的问题。尽管我们的研究表明，通过微生物降解能够将氧化副产物进一步降解，但这并不是一种完全理想的解决方案。需要进一步研究如何减少氧化副产物的产生或开发其他降解氧化副产物的方法。

最后，需要注意该技术的经济效益和环境效益。虽然我们的研究表明，该技术是一种低成本且环保的处理有机废水的方法，但其实际应用的经济效益和环境效益需要综合考虑。我们建议进一步研究该技术的经济可行性和生态效益，并与传统处理方法进行比较评估，以便更好地评估其适应实际生产和应用的能力。

总之，我们的研究为电催化处理有机废水提供了一种全新的思路和方法。我们相信，通过继