合金相分离强化非均相电-Fenton过程深度降解难降解有机物

Research on enhancement technology of heterogeneous electro-Fenton for degradation of refractory organics has far-reaching significance for industrial wastewater reuse. In this project, the sandwich-like nanomaterials (Carbon materials-Alloy-Heterogeneous Fenton catalysts) will be synthesized to decorate cathode. By using strain induced by alloy phase segregation, the processes of electro-catalytic synthesis of hydrogen peroxide and heterogeneous Fenton reaction are simultaneously enhanced. Taking polychlorinated biphenyls as model compounds, the organics will be effectively mineralized at the cathode. Herein, we will put emphasis on the effects of strain induced by alloy phase separation on catalyst performance during the hydrogen peroxide and hydroxyl radical generation process and the corresponding mechanism. Furthermore, Direct control of the electronic structure and atom arrangement of each layer in a sandwich-like nanostructure will provide a platform to gain better understanding of strain effects on catalytic activity. In addition, the degradation mechanism of polychlorinated biphenyls will be also clarified. According to the above study, the aim will not only supply a new channel to enhance heterogeneous electro-Fenton process, but present theoretical guidance for optimization of catalytic performance in the catalytic oxidation technology, and finally offer technical support for safe reuse of industrial wastewater.

研究强化非均相电-Fenton深度降解难降解有机物的新方法，对工业废水回用具有深远意义。本项目通过制备具有“三明治”结构（碳材料/合金/非均相Fenton催化剂）复合材料，并修饰阴极电极，以多氯联苯作为模拟污染物，利用合金相分离所产生的应力强化电催化合成过氧化氢与非均相Fenton反应过程，实现有机物在阴极高效降解，最终研究出强化非均相电-Fenton电化学过程的新方法。项目拟重点研究合金相分离所产生应力强化过氧化氢和羟基自由基产生过程及其机制，构建催化剂结构（电子结构和原子结构）与效能关系，阐明有机物降解机制。通过本项目研究，不仅可提供一种强化非均相电-Fenton工艺的新方法，也为优化催化氧化工艺所采用催化剂的性能提供理论指导，最终为废水安全回用提供技术支撑。

本项目制备一种基于木材为前驱体多级孔碳材料（PCW）的复合材料修饰阴极，结合石墨电极作为阳极，组装一种体外曝气流动循环电解系统。利用界面应力强化非均相电-Fenton工艺降解难降解有机物过程，实现难降解有机物高效、稳定去除。重点研究界面应力强化活性自由基生成强途径和机制及其相互协同作用机理，并深度研究催化剂构效关系。主要研究内容、主要结果和关键数据如下：.1）高比表面积和孔体积的PCW 可控制备及污染物吸附机制研究.通过开发冷模版-CO2活化方法，可获得高比表面积（2698 m2/g）、大孔体积（10.31 cm3/g）以及低比例微孔（2.20 %）的多级PCW，该材料可通过提供丰富的吸附位点，即具有较大的比表面积，提高吸附质与吸附剂相互作用，同时，介孔结构有利用吸附质间的相互作用力，促进吸附质二次吸附，从而获得高氯氟烃吸附容量（2.5g/g，远超目前报道的活性炭材料最佳吸附容量2.1g/g）。因此，通过构筑多级孔结构材料，可实现高吸附容量，提升吸附质在吸附剂表面高浓度富集，有助于解决电催化还原气体反应动力学缓慢的难点。.2）界面应力强化活性自由基生成强途径及其相关机制.通过研究活性团簇形态迁移，晶界错位以及晶面重构诱导界/表面应力效应，可实现多步竞争反应（吸附、析氢、氧活化）分离耦合。同时，也诱导碳基载体产生缺陷位，实现有机物在载体缺陷位点有效富集，有效避开活性自由基活化位点，提高难降解难降解有机物去除效率。此外，应力驱动促进富氧惰性载体氧循环迁移，有助于实现催化剂氧化还原活性位点原位再生，增强催化剂稳定性。.3）基于PCW电极的电吸附/电-Fenton性能研究.采用PCW作为电极材料，在盐溶液中具有很好的比电容（642.5F/g，0.5A/g），并且经过1000次循环之后，比电容仍优于传统碳材料。构筑基于应力效应的PCW/枝晶铁基电极，可实现4-CP快速高效去除，即反应30 min去除率达91%。因此，构建基于PCW的应力电极，既实现了废旧木材资源化，也为高盐有机废水深度处理提供了一种高效廉价的电极，对高盐废水回用具有潜在的应用价值。