太阳光-电-芬顿耦合多功能电极制备及降解抗生素废水研究

Homogenous electro-Fenton is one of the most important Advanced Oxidation Technology for refractory organic pollutants removal. To solve the problems of low efficiency, narrow working pH range and Fe2+ inactivation, this project intends to prepare an inverse opal α-Fe2O3/graphene aerogel (3DOM α-Fe2O3/GA) with multi-function of efficient adsorption, reduction of molecular oxygen and sunlight activation, which is employed to construct solar photo-electro-Fenton heterogeneous catalysis system for typical antibiotics wastewater treatment. The microscopic morphology, crystal structure, adsorption properties, photoelectrochemical properties, and catalytic activity are deeply studied to reveal the relationship between structure and properties of cathode. The interaction between contaminant molecules with electrode microscopic interface and the law of electron mobility on multi-phase interface are elucidated. Active oxidation radical, intermediates, removal efficiency and degradation kinetics are analyzed, respectively. The enhancement of catalytic oxidation ability derived from sunlight illumination is evaluated. The solar photo-electro-Fenton coupling theory is proposed. The results will provide theoretical basis and technical reference for Fenton development and application.

电-Fenton氧化是处理难降解有机废水的重要高级氧化技术之一。针对现行方法氧化效率低、pH适用范围窄、Fe2+易失活等问题，本项目拟可控制备兼具高效吸附、分子氧还原及太阳光增效的多功能一体化阴极——反蛋白石结构α-Fe2O3/石墨烯气凝胶（3DOM α-Fe2O3/GA），构建太阳光-电-Fenton异相催化体系并开展对抗生素废水的降解研究。通过分析微观形貌、晶体结构、吸附性能、光电化学特性、催化活性，揭示阴极材料结构和性能之间的构效关系，明确污染物分子与电极微观界面的相互作用及多相界面的电子迁移规律；通过研究污染物去除效率、活性自由基、中间产物变化及降解动力学，阐明太阳光照射对电-Fenton氧化的增强机制，建立太阳光-电-Fenton耦合异相催化理论，该研究将为Fenton技术的发展和应用提供理论依据和技术借鉴。

电-Fenton氧化技术是处理高浓度、难降解有机废水的重要手段，而其pH适宜范围窄、Fe2+易失活、能耗高的问题亟待解决。本项目采用还原自组装法和冷冻干燥法制备了具有高孔隙率、高比表面积及优异导电性能的石墨烯气凝胶（GA），并以此为基底，通过负载第二活性组分，构筑了负载型石墨烯气凝胶作为太阳光-电-Fenton体系的阴极材料，用于对特征性污染物的去除，考察对污染物的降解性能，揭示催化降解的协同作用机制，分析构效关系，探索污染物的降解规律和反应机理。石墨烯基系列催化剂的设计思路有如下两种：一是将活性物质（Fe或Fe@Cu）与石墨烯气凝胶原位复合，得到匀质的电-Fenton催化电极，二是将第二活性组分大孔型Fe2O3负载于吸附性能优异的石墨烯气凝胶的表面得到负载型太阳光-电-Fenton催化电极。这两种构筑方式均能有效地将第二活性组分的特点与石墨烯气凝胶自身的电催化性能和吸附优势进行功能化组装，进而提高电-Fenton体系的催化活性，高效降解水环境中的污染物。本项目主要研究内容为：（1）采用原位复合法构筑具有较高比表面积和催化活性的匀质电-Fenton电极Fe@GA和Fe-Cu@GA。电极中的GA和活性组分（FeII、FeIII和CuI、CuII）之间的协同作用极大地提高了H2O2的转化速率和•OH产率。同时，匀质电极的pH耐受范围拓宽到3—8，在该范围内，催化电极能够较好的保持其活性，电极使用寿命大幅延长。（2）采用溶胶凝胶法和胶体晶体自组装法可控制备兼具高效吸附、分子氧还原及太阳光增效的多功能一体化阴极——反蛋白石结构α-Fe2O3/石墨烯气凝胶（3DOM α-Fe2O3/GA），构建太阳光-电-Fenton异相催化体系并开展对抗生素废水的降解研究。三维有序大孔结构α-Fe2O3设计，不仅提高污染物的吸附容量和其向 GA 表面传质扩散速率，其特有的多重反射和慢光子效应也将大幅增强体系对太阳光的吸收利用。太阳光辐射有效加快α-Fe2O3表面 FeIII / FeII （≡Fe III−OH + hv → ≡Fe II + •OH）的循环和 FeII 的活化（≡FeII (COO-R) + hv → Fe II + CO2 + R• ），从而提高了耦合体系的氧化效率。