离子液体增强负载型异质结构金属氧化物电极的构建及其光电催化应用

With the implementation of new standards of wastewater discharging, the pollution of dye wastewater has become more and more attention. It is urgent to develop efficient technologies for degrading these contaminants before they would be discharged into the environment. Low quantum efficiency, low solar energy utilization rate, difficult to separation and recycle of catalyst are main shortcomings in photocatalysis, while electrocatalysis has drawbacks in narrow potential window and undesirable side reactions, accordingly these disadvantages can be avoided in the photoelectrocatalysis, but there still exist some reasons (such as small specific surface area, weak bond energy) lead this photoelectrocatalytic technology was only performed in laboratory. This project intends to improve the light and current efficiency by preparing high contact area and strong interaction immobilized electrode materials for photoelectrocatalytic degradation of dye wastewater. Firstly, porous hollow sphere nano metal oxides would be prepared, and the efficiency of these metal oxides on photoelectrocatalytic degradation of dye wastewater would be investigated using titanium as the support; Secondly, in order to improve the catalytic performance and recyclability of electrode, the supporting methods and requirements would be investigated with assist of ionic liquids and dopamine; Finally, aiming at effective treatment of dye wastewater in industrial scale, the reaction process parameters would be optimized, and degradation mechanism of dye wastewater would also be explored.

随着废水新排放标准的出台，染料废水污染问题也日益受到关注，加强染料废水的治理技术研究迫在眉睫。盛行的光催化存在量子效率较低、太阳能利用率低、催化剂难于分离和回收等问题，而电催化存在电位窗口不够宽、副反应较多等问题，使得光电催化技术的成为了研究热潮，但现有的光电催化电极同样存在比表面积小、负载牢固程度差等原因，以致该技术在染料废水的降解中缺乏经济应用价值。因此，本项目拟利用光电协同催化作用，制备高比表面积、强负载型电极材料，提高染料废水降解时的光与电流效率。首先，制备具有孔状表面的中空球状异质结构纳米金属氧化物，以钛片为载体制备光电催化电极，考察不同种类金属氧化物异质结对光电催化降解染料废水的催化性能；其次，借助离子液体与多巴胺探索催化活性成分的负载方法，优化负载条件，提高电极的催化性能的同时增加电极的使用寿命；最后，优化反应工艺，建立催化反应动力学模型，初步实现工业染料废水的有效处理。

由于水污染问题日益严重，加强水处理技术研究迫在眉睫。目前水污染的主要方向为有机污染物、重金属离子。基于目前光催化、光电催化、吸附等技术的瓶颈问题，本项目主要完成了以下内容：（1）制备负载型粉末催化剂。使用芳樟叶提取物作为保护剂和还原剂，制备了负载型Au-Ag/TiO2双金属催化剂，该过程绿色、环保。Au-Ag/TiO2对染料的光催化降解时，残留植物分子对催化剂有很大影响。通过离子液体萃取和煅烧除去植物分子后，催化性能显著提高；（2）原位阳极氧化法制备TiO2纳米管阵列催化剂。采用阳极氧化的方法在纯钛片上原位生长得到TiO2纳米管阵列，该材料机械强度高，不易脱落，且具有较高的比表面积，优于原计划方案。借助芳樟叶提取物，可以实现Au纳米颗粒的负载。该催化剂在甲基橙的降解中反应速率常数达到0.0173 min-1，基本达到原计划的高活性、强稳定性、易于分离等多项目标；（3）以植物分子没食子酸为还原剂、没食子酸或其氧化产物为保护剂，控制反应速率，在没食子酸与金离子总物质的量相同的情况下实现了不同形貌的金纳米颗粒的制备。借助多种表征手段，证明邻位羰基化合物能在金的[111]面上特异吸附，促进了孪晶晶种的生成，并进一步生长为片状纳米颗粒。由于金纳米片及其邻位羰基化合物的特异吸附，使得其在铅离子的电化学检测中有重要的作用，检测范围1000 ppm -1 ppm时，响应电流与浓度的线性相关性达到0.9979；（4）以三维网络结构的PVA凝胶为基体，通过原位共交联的方法引入三维立体结构的tetra-ZnO晶须，构建“骨架支撑”结构的孔道，制备了多孔型PVA/tetra-ZnO复合材料，研究了其微观结构形貌和不同环境因素对Pb(II)的吸附影响，最优吸附容量达到116 mg/g。本项目的研究结果在染料废水的光/光电催化降解、铅离子的检测与去除中有重要的实践指导意义。