掺硼金刚石膜材料的修饰及应用研究

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电化学氧化法处理污水,方法简单,无二次污染,在污水处理方面具有极大的应用前景。掺硼金刚石(Boron-Doped Diamond,BDD)由于其耐腐蚀、化学性质稳定、电化学势窗宽、析氧电位高、背景电流低和可逆性能好等特点,在电化学氧化领域具有很大的应用潜力。但是BDD电极的催化效率低和成本高昂限制了其大规模应用,为了降低BDD的成本,提高催化效率,需要寻找与之匹配的修饰材料,以提高其电化学性能。本文选择TiO2修饰BDD薄膜电极材料,首先研究了电泳多次沉积法在BDD上沉积TiO2,以改善形貌,提升性能;并设计了TiO2/BDD为电极的电化学氧化装置,研究了其最佳羟基自由基(·OH)生成速率的条件;其次借鉴光催化Z型机制,设计了TiO2/Au/BDD复合电极材料,并研究了Au含量对TiO2/Au/BDD性能的影响;最后设计了针对垃圾滤液处理的电絮凝电化学氧化装置,以TiO2/Au/BDD为电化学氧化电极,钢板为絮凝电极,研究了该装置对垃圾滤液的处理效果。主要的研究结果如下:(1)BDD电极在被TiO2修饰后,电化学势窗有一定宽化,有利于电化学氧化反应。本文选择的在40 V直流电压下沉积TiO2 3次(每次沉积60 s)的条件下所制备的TiO2/BDD复合电极材料具有最佳的表面形貌、电学和电化学性能,其霍尔迁移率达到213 cm2/V·s,与修饰前的BDD电极材料相比较,提高了3.5倍;在酸性、碱性和中性环境下其电化学势窗分别为4.3 V、4.6 V、4.6 V,均比修饰前的BDD电极宽,氧化还原峰面积最大,比BDD的氧化还原性更强。(2)以TiO2/BDD电极为核心设计了一套絮凝-电化学氧化处理污水装置。不同配比的絮凝剂对模拟污水处理效果有明显影响,PAM=6 mg/L,PAFC=500mg/L时对模拟污水的处理效果最佳;电化学氧化装置·OH产量与Na2SO4浓度、p H值、电流密度有关,Na2SO4浓度为0.1 mol/L,p H=9,电流密度为100 m A/cm2时,装置·OH产量最高。(3)通过构建Z-scheme TiO2/Au/BDD系统,研究分析了电极TiO2/Au/BDD相对BDD、TiO2/BDD电极的性能变化,实验表明TiO2/Au/BDD三明治型三层复合结构电极具有较好的电化学性能,Au的加入有利于提高电极的性能,但需要适量,过多的Au反而会使电极电化学势窗变窄、氧化还原性下降。模拟污水降解试验表明,TiO2/Au/BDD电极具有很好的光电协同催化作用,有利于污水降解。(4)针对垃圾滤液成分复杂、不溶物较多等特点,设计并制作了适于垃圾滤液处理的电絮凝-电化学氧化处理污水装置。实验表明,电絮凝可有效降低垃圾滤液的化学需氧量(Chemical Oxygen Demand,COD)值,结合电化学氧化装置,两者在90 min内可使垃圾滤液的COD值下降46.61%,为TiO2/Au/BDD电极实际应用于污水处理积累了经验。
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