电催化技术专题知识

电催化技术专题知识电催化技术专题知识第1页主要内容◎

电化学◎电催化定义及特点◎电催化去除污染物基础原理◎电催化电极与电解质◎

电催化废水处理反应器形式及应用◎

电催化技术优点、不足及展望电催化技术专题知识第2页电化学电化学定义：研究电能与化学能之间相互转化学科。原电池：化学能转化为电能电解池：电能转化为化学能转化条件：

1.包括化学反应必须有电子转移

——氧化还原反应。

2.化学反应必须在电极上进行电催化技术专题知识第3页原电池组成：原电池：借助氧化还原反应把化学能直接变成电能装置。①电极负极：电子流出一极，发生氧化反应。正极：电子流入一极，发生还原反应。②盐桥盐桥中装有饱和KCl溶液和琼脂制成胶冻。铜锌原电池（丹尼尔电池）电催化技术专题知识第4页

电解：在外电源作用下被迫发生氧化还原过程。电解池：将电能转变为化学能装置。电解NaOH电解池阳极：与电池正极相联阴极：与电池负极相联依据离子迁移方向，又分为：阴极：是阳离子移向一极阳极：是阴离子移向一极电催化技术专题知识第5页主要内容◎

电化学◎

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电催化技术优点、不足及展望电催化技术专题知识第6页定义：在电场作用下，存在于电极表面或溶液相中修饰物能促进或抑制在电极上发生电子转移反应，而电极表面或溶液相中修饰物本身并不发生改变一类化学作用。电催化定义电催化技术专题知识第7页——与常规化学催化相比1.在常规化学催化作用中，反应物和催化剂之间电子传递是在限定区域内进行。所以，在反应过程中，既不能从外电路中送入电子，也不能从反应体系导出电子或取得电流；在电极催化反应中有纯电子转移。电极作为一个非均相催化剂既是反应场所，又是电子供—受场所，即电催化反应同时含有催化化学反应和使电子迁移双重功效。电催化特点电催化技术专题知识第8页——与常规化学催化相比2.在常规化学催化反应中，电子转移过程无法从外部加以控制；电催化反应过程中能够利用外部回路控制电流，使反应条件、反应速度比较轻易控制，并能够实现一些猛烈电解和氧化-还原反应条件。——电催化反应输出电流则能够用来作为测定反应速度快慢依据电催化特点电催化技术专题知识第9页电催化特点

——与电化学相比

电催化反应在电化学反应基础之上，主要是在电极上修饰表面材料及化学材料来产生强氧化性活性物种，从而提升其降解有机物能力；电化学反应只是简单电极上反应，其处理效率显著比电催化反应低。电催化技术专题知识第10页主要内容◎

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电催化技术优点、不足及展望电催化技术专题知识第11页电催化去除污染物基础原理电化学还原直接还原间接还原电化学氧化直接氧化间接氧化电化学转换电化学燃烧电凝聚作用电浮选光电化学氧化电催化技术专题知识第12页在电解过程当中，假如采取铝质或铁质可溶性阳极，通以直流电后，阳极材料会在电解过程当中发生溶解，形成金属阳离子Fe3+、Al3+等，与溶液中粒子形成含有絮凝作用胶体物质，这些物质可促使水中胶态杂质絮凝沉淀，从而实现污染物去出。电凝聚作用电催化技术专题知识第13页电浮选在对废水进行电化学处理过程中，经过电极反应在阴极和阳极上分别析出H2和O2，产生直径很小（约8~15μm）、分散度很高气泡，作为载体吸附系统中胶体微粒及悬浮固体上浮，在水面形成泡漠层，用机械方法加以去除，从而到达分离污染物目标。可经过调整电流、电极材料、pH值和温度可改变产气量及气泡大小，满足不一样需要。电催化技术专题知识第14页光电化学氧化在电场作用下，以光催化剂作为电化学催化电极，使阳极发生电催化作用对阳极槽中有机物进行催化降解同时，并在紫外光作用下，降解污染物，从而大大提升了对难降解有机物催化降解效率。电催化技术专题知识第15页主要内容◎

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电催化技术优点、不足及展望电催化技术专题知识第16页电极——指与电解质接触电子导体或半导体，它既是电子贮存器，能够实现电能输入或输出，又是电化学反应发生场所。催化电极——首先应该是一个电子导体，其次要兼具催化功效，即：既能导电，又能对反应物进行活化，提升电子转移速率，对电化学反应进行某种促进和选择。电催化电极电解质电催化技术专题知识第17页1.催化电极与电极材料种类2.催化电极性能3.电催化电极组成及结构（表面材料、基础电极、载体和电极表面结构）4.电解质电催化电极电解质电催化技术专题知识第18页1.催化电极与电极材料种类主要分为两大类：二维电极；三维电极.电催化技术专题知识第19页1.催化电极与电极材料种类a.二维电催化电极应用最广泛是DSA类电极。

DSA电极——以特殊工艺在金属基体（如Ti，Zr，Ta，Nb等）上沉积一层微米或亚微米级金属氧化物薄膜（如SnO2，IrO2，RuO2，PbO2等）而制备稳定电极。

DSA类电极经过改进材料及涂层结构提供了较高析氧过电位，预防阳极氧气析出，提升其电流效率。电催化技术专题知识第20页1.催化电极与电极材料种类优点：因为DSA类电极化学和电化学性质能够伴随氧化物膜材料组成和制备方法而改变，因而能够取得良好稳定性和催化活性。缺点：有效电极面积很小，传质差，造成单位时空处理效率较低。电催化技术专题知识第21页1.催化电极与电极材料种类b.三维电催化电极

定义：在原有二维电极之间装填粒状或其它屑状工作电极材料，致使装填电极表面带电，在工作电极材料表面发生电化学反应。

优点：面积比较大且能以较低电流密度提供较大电流强度；粒子之间间距小，物质传质极大改进；单位时空产率和电流效率均极大提升，尤其对低电导率废水，其优势更是显著。电催化技术专题知识第22页1.催化电极与电极材料种类a.金属电极金属电极是指以金属作为电极反应界面裸露电极，除碱金属和碱土金属外，大多数金属作为电化学电极都有很多研究报道。

b.碳素电极

由元素碳组成电极总称。可分为天然石墨电极、人造石墨电极、碳电极以及特种碳素电极等四类。电催化技术专题知识第23页1.催化电极与电极材料种类c.金属氧化物电极

导电金属氧化物电极含有主要电催化特征，这类电极大多为半导体材料。d.非金属化合物电极普通所说非金属电极是指硼化物、碳化物、氮化物、硅化物、氯化物等。非金属材料作为电极材料，最大优势在于这类材料特殊物理性质，如高熔点、高硬度、高耐磨性、良好耐腐蚀性以及类似金属性质等。电催化技术专题知识第24页2.催化电极性能电极在电化学处理技术中处于“心脏”地位，电极电催化特征是电催化技术关键内容，即希望电极对目标有机物表现出高反应速率，而且有好选择性。催化电极功效：既能导电，又能对反应物进行活化，提升电子转移速率，对电化学反应进行某种促进和选择。电催化技术专题知识第25页2.催化电极性能良好电催化电极应该具备以下几项性能：

（1）良好导电性：最少与导电材料（比如石墨）结合后能为电子交换反应提供不引发严重电压降电子通道，即电极材料电阻不能太大；（2）高催化活性：即能够实现所需要催化反应，抑制不需要或有害副反应；（3）良好稳定性：能够耐受杂质及中间产物作用而不致较快地被污染（或中毒）而失活，而且在实现催化反应电势范围内催化表面不至于因电化学反应而过早失去催化活性；电催化技术专题知识第26页良好电催化电极应该具备以下几项性能：

（4）良好机械物理性质：即表面层不脱落、不溶解。电极材料性质是决定电极催化特征关键原因。电极材料不一样能够使反应速度发生数量级改变。改变电极材料性质，既能够经过变换电极基体材料来实现，也能够用有电催化性能涂层对电极表面进行修饰改性而实现。电极涂层制备工艺条件对其催化性能有很大影响。2.催化电极性能电催化技术专题知识第27页3.电催化电极组成及结构催化剂之所以能改变电极反应速率，是因为催化剂与反应物之间存在某种相互作用改变了反应进行路径，降低了反应活化能。在电催化过程中，催化反应是发生在催化电极/电解液界面，即反应物分子必须与电催化电极发生相互作用，而相互作用强弱则主要决定于催化电极表面结构和组成。电催化技术专题知识第28页4.电解质支持电解质：加入到有机废水电化学处理体系中，能够增强溶液导电性，使有机物降解反应顺利发生电解质盐。基础要求：

（1）当量电导率大：降低电阻，降低能耗；

（2）性质稳定：不参加电化学反应，也不与有机物反应，防止能量损耗，降低电流效率；

（3）无毒无害，且易于去除；

（4）不在电极表面发生特征吸附：防止降低电极有效反应面积。Na2SO4电催化技术专题知识第29页主要内容◎

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电催化废水处理反应器形式及应用◎

电催化技术优点、不足及展望电催化技术专题知识第30页电催化废水处理反应器形式及应用1.电催化废水处理反应器形式电化学反应器种类繁多、结构复杂、不一样应用领域，所应用反应器结构和形式均不完全一样，其中，反应器结构和电极结构是影响电化学应用中电流效率主要原因之一。电化学反应器分为二维反应器和三维反应器，以下表：电催化技术专题知识第31页电催化技术专题知识第32页电催化废水处理反应器形式及应用2.电催化技术在废水处理中应用电催化技术专题知识第33页电催化废水处理反应器形式及应用2.电催化技术在废水处理中应用我国情况：电化学水处理技术研究应用和国外相比比较分散、不系统。（1）重金属去除和含氰废水处理；（2）染料工业废水；（3）工业废水；（4）啤酒厂废水。电催化技术专题知识第34页电催化废水处理反应器形式及应用2.电催化技术在废水处理中应用国外情况：用电化学水处理技术处理有机废水研究很多。（1）制革废水；（2）印染废水；（3）甲醛废水（4）垃圾渗滤液电化学过程能够有效地破坏大分子有机物，并降低其毒性，处理后废水可生化降解性提升。电催化技术专题知识第35页主要内容◎

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电催化技术优点、不足及展望电催化技术专题知识第36页电催化技术优点、不足及展望1.优点（1）电子转移只在电极及废水组分之间进行，不需要另外添加氧化还原试剂，同时也防止了由另外添加药剂而引发二次污染问题；（2）能够经过改变外加电流、电压，随时间调整反应条件，可控制性较强；（3）反应过程中可能产生自由基能够无选择地直接与废水中有机污染物反应，可将其降解为CO2、H2O和简单低分子有机物，没有或极少产生二次污染；电催化技术专题知识第37页电催化技术优点、不足及展望（4）能量效率高，反应条件较温和，电化学过程普通在常温常压下即可进行；（5）反应器设备及其操作普通比较简单，假如设计合理，费用并不昂贵；（6）当排污规模较小时，能够进行就地处理；（7）当废水中含有金属离子时，阴、阳两极可同时起作用（阴极还原金属离子，阳极氧化有机物），使处理效率提升，同时回收再利用有价值化学品或金属，防止了二次污染；电催化技术专题知识第38页电催化技术优点、不足及展望（8）兼有吸附、絮凝、杀菌作用；（9）作为一个清洁工艺，设备占地面积小，尤其适合于人口拥挤城市中污水处理；（10）既能够单独处理，又能够与其它处理方法相结合，比如作为前处理，能够将难降解有机物或生物毒性污染物转化为可降解物质，从而提升废水可生物降解性。电催化技术专题知识第39页电催化技术优点、不足及展望2.不足（1）电解法处理有机污染物机理探讨还很不充分，不能对电极选择、工艺设计、工艺参数确实立起到详细理论指导作用；

（2）电流效率依然很低，经济上不合理。现在研究电极价格偏高（主要指各种贵金属电极或钛基电极），处理过程耗电量很大，即实用化电极材料不多，且寿命普通都不长，所以处