有序介孔SnO2气凝胶阳极材料的制备及其电容吸附-电催化氧化耦合去除水体中藻毒素的机制研究

The control and purification of algae toxins is a research hotspot in the environmental field nowadays. In this project, in order to solve problems of low efficiency, hard mineralization, and high energy consumption with current oxidation techniques, inorganic tin salts as raw material, tri-block copolymer as soft template, and the solvothermal treated combined with ambient drying method are used to prepare the monolithic Sb-doped SnO2 aerogel (MOA-SnO2) with ordered mesoporous framwork, high specific surface area, outstanding adsorption capacity, and good electrocatalytic activity. We firstly propose to carry out capacitive adsorption coupled electrocatalytic oxidation to remove algae toxins based on MOA-SnO2 anode. The microstructure, pore properties, adsorption behavior, and electrochemical characteristics, catalytic activity, and degradation efficiency are all studied. The intermediates, active radicals, and degradation kinetics are investigated. The relationship of structure-efficiency among thems are revealed. The enhancement of removal efficiency is attributed synergistic effect electrosorption and electrocatalytic oxidation. Finally, the possible degradation mechanism are proposed on the MOA-SnO2 interface. The study will provide a new idea for versatile materials design with environmental functions and give a new method for water purification in depth.

富藻水体中低浓度、高毒性藻毒素的控制和深度处理是当前环境科学领域研究的热点和难点。为解决现有氧化技术中存在的效率低、矿化难、能耗高等问题，本项目拟以廉价的无机锡盐为原料，三嵌段共聚物为模板剂，利用溶剂热晶化结合常压干燥法，制备高比表面积、高吸附容量、高催化活性的块体有序介孔SnO2气凝胶（MOA-SnO2）电极；并开展基于该阳极的电容吸附-电催化氧化耦合技术对藻毒素的降解研究。重点考察MOA-SnO2的微观结构、孔性质、吸附性能、电化学特性、催化活性及降解效率，深入解析中间产物、有效活性自由基及反应动力学。揭示MOA-SnO2微观结构与吸附性能、催化活性之间的构效关系，阐明电容吸附对提高电催化氧化效率的增强机制及藻毒素在MOA-SnO2表面的降解机理。本研究将为环境多功能一体化材料的设计开辟新思路，并为水环境污染物的深度去除提供新方法。

针对水体中低浓度、高毒性藻毒素氧化处理过程中存在的效率低、矿化难、能耗高等难题，以无机锡盐为原料，利用环氧丙烷（PO）为胶凝促进剂及N,N-二甲基甲酰胺（DMF）为助剂，制备出了兼备优异电吸附功能和电催化活性的Sb掺杂SnO2气凝胶电极材料。详细表征电极的物化性能和电化学性质；建立电容吸附-电催化氧化降解藻毒素类的新方法；重点探究电容吸附-电催化氧化法处理低浓度藻毒素MC-LR的协同增强机制及其在SnO2气凝胶电极表面的降解机理。研究发现，SnO2前驱体配置过程中，PO的质子化加成开环反应有利于锡离子的水解，缩聚，胶凝；Sb的最佳掺杂量为5%（mol%），掺杂量太低SnO2导电性较差，掺杂量太大容易出现偏析，影响电极的使用寿命，并且催化活性降低；四方相金红石结构SnO2气凝胶呈现出多级孔结构，骨架由粒径约为数十纳米的颗粒堆积而成。和传统的DSA阳极相比，SnO2气凝胶因其特有的孔道结构和高的比表面积，其在处理藻毒素过程中表现出更加优异的电容吸附能力及催化氧化降解能力，藻毒素分解速率快、分子矿化彻底，能耗低。这归因于后者电极表面提供更多的电催化反应活性位点，加之其骨架结构中纳米效应，促进了•OH生成量的增加；同时介孔有效增强对溶液中的藻毒素分子的吸附能力，促进了污染物分子向电极深层次多级孔道的有效扩散和富集，从而大幅提高了藻毒素的反应速率和电流效率。电容吸附功能对电催化氧化的协同增强作用得到充分的证实。本研究丰富了高级氧化技术中的电极的种类，为建立藻毒素类微污染水体的强化治理技术提供了理论依据。