碳基双膜管状气体扩散电极强化电Fenton降解酚类污染物的过程机制研究

To solve the problems of the low oxygen utilization and electrocatalytic activity for the common carbon electrodes, catalyst deactivation caused by chelation, a large number of iron sludge production and so on, in the present project a double-membrane tubular gas diffusion electrode will be fabricated by other non-metallic elements doped nano carbon as the diffusion layer and Fen+ chelate carboxylic nano carbon as the catalyst layer. The H2O2 and •OH will be sequential in situ generated efficiently with the double-membrane gas diffusion electrode, and the catalyst deactivation caused by chelating Fe3+ with the intermediate products will also be inhibited. The electrocatalytic activity of ORR, stability and kinetics of the non-metallic elements doped membrane layer will be studied, the effect of carboxylate groups on H2O2 catalytic reaction in the catalyst membrane layer will be discussed and the mechanism of in situ generating H2O2 and •OH will be determined. To further promote phenolic pollutants degradation efficiency and Fe2+ cyclic regeneration capability, the electro-Fenton/electroreductive regeneration alterative cyclic system will be constructed, the main influence factors on the phenolic pollutants degradation will be studied and the degradation pathway will be discussed. Results of the project will provide the theoretical and experimental basis for the application of electro-Fenton technology.

本项目针对普通碳电极氧利用率和电催化活性低，以及传统电Fenton体系中催化剂络合失活、产生大量铁污泥等问题，采用非金属异质元素掺杂纳米碳和铁络合羧基化纳米碳分别制备双膜管状气体扩散电极的扩散膜层和催化膜层，实现H2O2和•OH的先后原位持续高效生成，同时抑制Fe3+与中间产物的络合失活，研究异质元素掺杂碳膜层的电催化氧还原反应（ORR）的活性、稳定性和动力学，探讨催化膜层中羧基在催化H2O2反应过程中的作用，确定H2O2和•OH的原位生成机理；构建电Fenton/电还原再生交替循环系统，实现酚类污染物的高效氧化降解和Fe2+循环再生能力的双向提升，研究体系氧化降解酚类污染物的主要影响因素，探讨酚类污染物的降解途径。本项目的研究成果将为电Fenton技术的应用提供理论基础和实验依据。

酚类化合物是水环境中普遍存在的一类有机污染物，存在高毒性、致癌性、致畸性和潜在的诱变性等风险，已被列入“优先控制污染物”名单，并对其排放到自然水体中的浓度制定了严格的标准。电 Fenton是一种极具发展前景的电化学高级氧化技术，已在酚类有机废水治理领域获得认可，且具有过程清洁、操作简易等优势，但仍存在如何提高氧利用率，如何有效抑制活性组分络合失活，如何拓宽反应体系pH值适用范围等亟待解决的问题。针对这些问题，本项目从阴极材料到电极结构及反应器的设计，开展了系列研究并取得了较为重要的结论。首先以提高H2O2产率为目标，通过形貌及结构调控合成了系列异质元素掺杂碳材料，如氮掺杂碳纳米管、氮掺杂还原氧化石墨烯和氮/硼共掺杂生物质炭等，利用各种表征手段，揭示了氮、硼等异质元素调控阴极电催化氧还原反应的动力学行为；其次为解决催化组分与降解中间产物络合失活问题，采用离子置换法制备了铁络合羧基碳纳米管，探讨了羧基络合在催化H2O2反应中的作用机制；再次为提高氧气利用率，通过电极结构设计制备了新型双膜气体扩散电极，实现了H2O2和•OH的先后原位持续高效生成；最后选取硝基酚为目标污染物，在构建的电Fenton/电还原再生交替循环体系中系统研究了氧化降解酚类污染物的主要影响因素和电极的稳定性，探讨了污染物的降解路径，实现了酚类污染物的高效氧化降解和Fe2+循环再生能力的双向提升。此外生物质炭在电Fenton技术领域的应用不仅使其材料成本进一步降低，而且为农业废弃物的资源化提供新的思路和实验依据。