太阳能有机合成用防腐电极材料的设计、制备及性能研究

Based on the resource utilization of toxic and hard degradation of aromatic hydrocarbons (with toluene as an example) and the aim of efficient solar energy utilization, it proposes to design and preparation of an anticorrosive electrode material that can be used under the conditions of strong acid, high temperature, electric field and ultraviolet irradiation. The anticorrosive electrode material is used for selective oxidation of organic (benzene oxidized to benzoic acid) and accompanied by hydrogen production, which is benefit for the utilization of solar energy. The main targets of the project is the preparation of the anticorrosive electrode material and its surface regulation, the relationship between electrode and organic synthesis effects under the coupled fields of solar thermal, electrical and ultraviolet radiation, as well as the related mechanism of catalysis oxidation of organic water by solar energy . The mechanisms of electrode corrosion are revealed by studying the migration, diffusion, corrosion behavior of the microscopic particle at the electrode/solution interface, as well as the study of corrosion kinetics of electrode, which provide guidance for design and regulation of high active anticorrosion electrode materials. This project presents a perfect, sustainable and green "waste-solar-products, elective oxidation of pollutant at anode and hydrogen at cathode" recycling technology. It provides a new way for energy-saving and emission-reduction, resources utilization of waste, and efficient utilization of solar energy.

本项目以废水中有毒、难降解性芳烃类有机物（以甲苯为例）的资源化，太阳能热-电-光三场耦合高效利用为目标，设计、制备适用于强酸、高温、电场及紫外辐射条件下的防腐蚀电极，并将其应用于有机废水选择性氧化合成及产氢。通过对目标产物组成、产率及选择性的调控实现有机物的可控合成，从而大幅提高太阳能利用效率。主要研究防腐蚀电极材料的制备与表面调控，太阳能热-电-光三场耦合有机合成与电极性能之间的关系，揭示太阳能有机合成（催化氧化）机理；研究反应介质中电极/溶液界面微观粒子的迁移、扩散、腐蚀行为，结合电极腐蚀动力学研究揭示相关机制，从而指导新的高活性防腐电极材料的制备与表面调控。项目提出了一种完美、可持续的“废弃物-太阳能-高附加值产品（阳极选择性氧化产物+阴极产氢）”的绿色循环技术，为节能减排、污染物资源化及太阳能高效利用提供新途径。

随着科学技术的迅猛发展，清洁能源高效利用、可持续污水处理技术、以及新型电极材料的研究开发成为科学研究的热点。本项目以太阳能热、电、光三场耦合利用技术为基础，设计、制备用于氧化难降解芳烃有机污水（以甲苯为例）合成高附加值有机物、或用于降解有机污水直至达标排放的阳极材料，通过太阳能高效利用为污水处理提供能源，整个过程不需要其他能量输入。考虑采用太阳能热、电、光三场耦合利用模式，以对太阳紫外光敏感的TiO2纳米管为基体，经过适当温度灼烧等处理获得锐钛矿-金红石混晶电极材料，用于氧化污水中的甲苯合成苯甲酸。实验结果表明，外加热场对于吸热的甲苯氧化反应是有利的，外加电场促进了太阳光（紫外光、可见光）辐射下电子-空穴对的分离，甲苯氧化过程中混晶TiO2纳米管阳极被原位碳化而获得可见光活性，苯甲酸产率32.8%，甲苯转化率49.1%。因此，碳化的锐钛矿-金红石TiO2阳极可实现太阳能热、电、光耦合氧化甲苯合成苯甲酸，此模式可用于处理含有机物的酸性污水；另外，强酸、电场、较高反应温度下存在电极严重腐蚀的问题，基于此设计、制备了聚多巴胺包裹氧化铅修饰氧化钛防腐电极（PDA-PbO2/TiO2）。结果表明，PbO2在酸性环境中能够保持良好的导电性，而且具有优异的氧化性，满足高性能阳极材料的要求，在太阳能光电耦合模式下PDA-PbO2/TiO2阳极表面甲苯降解率达66%，且电极防腐性能良好；为进一步降低能耗、提高反应效率，研究开发了纳米聚苯胺石墨烯3D防腐电极（CC/PANI/G）。在外加电场电压仅有1.0V时即可实现甲苯99.9%转化，且获得苯甲酸（41.7%）和苯甲醛（44.9%）两种重要有机中间体的总收率达86.6%，反应过程中在阴极得到氢气且可实现回收。CC/PANI/G电极材料在3.5%NaCl溶液中的EIS、极化曲线等测试结果可知，电极具有良好的电化学防腐稳定性。本研究首次将太阳能高效利用与污水资源化、无害化联系起来，这种通过调控电极材料制备工艺及其与外加太阳能热、电、光耦合场的匹配性，从而有效处理含有机物废水的方法将为太阳能清洁利用及污水处理提供全新思路。