金属掺杂改性纳晶PbO2电极降解水中全氟羧酸机理研究

Perfluorocarboxylic acids (PFCAs), a class of recalcitrant toxic organics, are widespread in the environment. They have posed serious threat to ecological safety and human health. On the basis of our preliminary studies, the sol-gel method and electrochemical deposition method will be used to further develop a series of metal modified nanocrystalline PbO2 porous film electrodes with high activity and high stability. The proposed research will investigate the effects of the metal types and doping quantity on the electrode material structure and catalytic performance. The electrochemical degradation kinetics of PFCAs will be established under different conditions. The main influencing factors on the electrochemical catalytic degradation performance of PFCAs will be obtained. Furthermore, the PFCA reaction intermediates during electrochemical degradtion will be detected and analyzed. The roles of direct electron transfer and free raidcals on the reaction mechanism will be clarified. Then the reaction mechanism of the electrochemical degradation of PFCAs using the nanocrystalline PbO2 film electrode will be proposed. Finally, a highly effective electrochemical technique for remediating PFCA contaminated wastewater will be developed by regulating the rate-control steps and optimizing the electrochemical reactor structure. The research results will be of great value in both theory and application for the wastewater treatment containing PFCAs by electrochemical method.

全氟羧酸类化合物（PFCAs）是一类环境中广泛存在的难降解有毒有机物，威胁生态安全和人体健康。本申请项目是在前期研究工作的基础上，采用溶胶-凝胶与电化学沉积相结合的方法，进一步发展高活性、高稳定性的金属改性纳晶PbO2多孔薄膜电极材料，考察金属掺杂种类和掺杂量对电极材料结构及催化性能的影响，建立不同水质参数和操作参数条件下水中PFCAs电化学降解动力学方程，识别影响电化学催化降解PFCAs的主要影响因子及其影响规律，通过降解中间产物分析推测PFCAs电化学反应途径，阐明电化学反应中直接电子转移和活性自由基对PFCAs降解过程的作用机制，揭示基于纳晶PbO2薄膜电极电化学降解PFCAs的反应机理，通过调控PFCAs降解速率控制步骤和优化电化学反应装置结构，进而开发建立一种高效催化降解PFCAs的电化学净水技术。研究结果对于采用电化学技术控制水中PFCAs污染具有极其重要的理论意义和应用价值。

全氟羧酸类化合物（PFCAs）是一类难降解有毒有机物，被广泛应用于纺织、造纸、半导体等行业。该类化合物已广泛存在于自然水体、沉积物、动物以及人体内，并具有引起生物代谢紊乱的性质，威胁着生态安全和人体健康。目前，全球性PFCAs污染及其对人体健康的影响已经引起了各国政府和科学界的高度关注，是当今环境科学与工程领域研究的热点问题。本项目主要合成了不同类型的金属掺杂改性纳晶PbO2电极材料，并建立了7种全氟羧酸类化合物的电化学催化降解反应动力学，考察了电极间距、电流密度、污染物初始浓度等影响因素对降解动力学的影响，通过量子化学计算和中间产物检测，揭示了全氟羧酸类化合物电化学降解反应途径和降解机理，最终建立了水中全氟羧酸类化合物电化学降解的适用新技术。本项目取得了以下三个方面的重要结果：（1）发现了纳晶薄膜电极表面活性氧自由基的产生规律，建立了材料表面微观结构与性能的构-效关系，将电极理论使用寿命提高到30年；（2）阐明了电极材料表面活性自由基高效去除难降解污染物的反应机制，提升目标污染物分解键能阈值至485 kJ mol-1，对难降解污染物的分解效率提高了50~80%，能量利用效率提高约50%；（3）揭示了传质强化提高污染物电催化降解效率的反应机制，研制了系列具有高效传质效率的新型电催化反应器，实现了工程化应用。该项研究结果对于采用电化学技术控制水中PFCAs污染具有极其重要的理论意义和应用价值。